Las células de Mauthner son un par de neuronas grandes y fácilmente identificables (una para cada mitad del cuerpo) ubicadas en el rombómero 4 del rombencéfalo en peces y anfibios que son responsables de un reflejo de escape muy rápido (en la mayoría de animales, la llamada respuesta C-start). Las células también se destacan por su uso inusual de sinapsis tanto químicas como eléctricas . [1]
Historia evolutiva
Células Mauthner primero aparecen en lampreas (estando ausente en hagfish y lancelets ), [2] y están presentes prácticamente en todos los teleósteos de pescado, así como en los anfibios (incluyendo postmetamorphic ranas y sapos [3] ). Sin embargo , algunos peces, como los chupalumas , parecen haber perdido las células de Mauthner. [4]
Papel en el comportamiento
El inicio C
Un C-start es un tipo de reflejo de escape o sobresalto muy rápido que utilizan los peces y los anfibios (incluidas las larvas de ranas y sapos). Hay dos etapas secuenciales en el inicio C: primero, la cabeza gira alrededor del centro de masa hacia la dirección del escape futuro, y el cuerpo del animal exhibe una curvatura que se asemeja a una letra C; luego, en la segunda etapa, el animal es impulsado hacia adelante. [5] La duración de estas etapas varía de una especie a otra de aproximadamente 10 a 20 ms para la primera etapa y de 20 a 30 ms para la segunda. [1] [4] En los peces, esta propulsión hacia adelante no requiere la contracción del músculo antagonista , sino que resulta de la rigidez del cuerpo y la resistencia hidrodinámica de la cola . Cuando ocurre una contracción muscular antagónica durante la etapa 2, el pez gira en la dirección opuesta, produciendo un contragiro y un cambio de dirección.
El papel de la celda de Mauthner en el comportamiento de inicio C
En los casos en que un estímulo acústico , táctil o visual abrupto provoca un único potencial de acción en una célula M, siempre se correlaciona con un escape de inicio C contralateral . [6] Un circuito inhibidor de retroalimentación mutua extremadamente rápido asegura que solo una celda M alcance el umbral de pico, ya que el inicio C tiene que ser unilateral por definición, y que solo se dispara un potencial de acción. [1]
El reflejo de inicio C mediado por células de Mauthner es muy rápido, con una latencia de aproximadamente 5-10 ms entre el estímulo acústico / táctil y la descarga de las células de Mauthner, y sólo unos 2 ms entre la descarga y la contracción muscular unilateral. [1] [6] Las células de Mauthner son, por tanto, la neurona motora más rápida para responder al estímulo. Hace que la respuesta C-start sea importante desde el punto de vista del comportamiento como una forma de iniciar el reflejo de escape en una forma de todo o nada , mientras que la dirección y la velocidad del escape se pueden corregir más tarde mediante la actividad de las neuronas motoras más pequeñas.
En las larvas de pez cebra, alrededor del 60% de la población total de neuronas reticuloespinales también se activan mediante un estímulo que provoca el escape de pico M y inicio C. Un grupo bien estudiado de estas neuronas reticuloespinales son los homólogos de células M emparejados bilateralmente denominados MiD2cm y MiD3cm . Estas neuronas exhiben similitudes morfológicas con la célula M, incluida una dendrita lateral y ventral. Están ubicados en los rombómeros 5 y 6 del rombencéfalo , respectivamente, y también reciben información auditiva en paralelo con la célula M del nervio pVIII . En los peces, los estímulos de chorro de agua que activan estas neuronas provocan inicios C no iniciados por Mauthner de una latencia más larga, en comparación con los asociados con las células M.
Aunque la célula M a menudo se considera el prototipo de una neurona de mando en los vertebrados , esta designación puede no estar totalmente justificada. Aunque la estimulación eléctrica de la célula M es suficiente para provocar un inicio C, este inicio C es normalmente más débil que el provocado por un estímulo sensorial. [7] Además, el inicio C se puede evocar incluso con la ablación de células M , aunque en este caso aumenta la latencia de la respuesta. [8] El modelo más aceptado del sistema de células M, o red de escape del tronco encefálico, es que la célula M inicia un patrón de acción fijo hacia la izquierda o hacia la derecha activando un circuito motor espinal descrito inicialmente por J. Diamond y sus colegas , pero la trayectoria precisa del escape está codificada por la actividad de la población en las otras clases de neuronas reticuloespinales que funcionan en paralelo a la célula M. Esta noción está respaldada por estudios que utilizan imágenes de calcio in vivo en larvas de pez cebra que muestran que MiD2cm y MiD3cm se activan junto con la célula M cuando un estímulo ofensivo se dirige hacia la cabeza pero no la cola, y se correlacionan con los inicios C de un ángulo de giro inicial mayor.
Otro componente de la respuesta de escape está mediado por neuronas de relevo craneales que son activadas por el pico de células de Mauthner. Estas neuronas están acopladas eléctricamente con motoneuronas que inervan los músculos extraoculares, de la mandíbula y operculares y median la aducción de la aleta pectoral en el pez hacha . [9] [10] Este componente del circuito neural fue descrito por primera vez por Michael VL Bennett y sus colegas.
Células de Mauthner en otros tipos de comportamiento.
Las células de Mauthner pueden estar involucradas en patrones de comportamiento distintos del inicio C, si estos tipos de comportamiento también requieren un movimiento de flexión extremadamente rápido del cuerpo. Por lo tanto, en los peces de colores, las células de Mauthner se activan durante la captura de presas cerca de la superficie del agua, ya que este tipo de caza es peligrosa para los peces y se beneficiaría de abandonar la superficie lo antes posible después de la captura de la presa. [11]
En los anuros posmetamórficos adultos (ranas y sapos) que no tienen cola, las células M se conservan sin embargo [3] y sus descargas están asociadas con el movimiento rápido de las patas durante un escape. [12]
Morfología y conexiones
Entradas a la celda M: excitación e inhibición de avance
La célula M tiene dos aspiny primaria (que carece de las espinas dendríticas ) dendritas que reciben entradas segregados de diversas partes del sistema neural. [1] Una dendrita se proyecta lateralmente y la otra se proyecta en dirección ventral o medial, según la especie. [13]
La dendrita ventral recibe información del tectum óptico [14] y la médula espinal [15] mientras que la dendrita lateral recibe entradas de los sistemas octovolateralis (la línea lateral , entradas acústicas del oído interno e información inercial de los estatolitos traídos por el cráneo nervio VIII ). [1]
Las fibras del VIII par craneal ipsolateral terminan en sinapsis excitadoras mixtas eléctricas y glutamatérgicas en la célula M. También activan eléctricamente las interneuronas inhibitorias glicinérgicas que terminan en las células M. A pesar de que la entrada inhibitoria tiene una sinapsis más en su camino, no hay retraso entre la excitación y la inhibición porque la sinapsis intermedia es eléctrica. Se demostró que para los estímulos débiles la inhibición gana sobre la excitación, evitando que la célula M se descargue, mientras que para los estímulos más fuertes la excitación se vuelve dominante. [16] Las aferentes del oído interno también terminan con sinapsis eléctricas en una población de interneuronas inhibidoras de PHP (ver más abajo) para proporcionar un nivel adicional de inhibición de retroalimentación. La célula de Mauthner también tiene entradas de GABA , dopamina , serotonina y somatostatinérgicas , cada una restringida a cierta región dendrítica. [1]
Las entradas del tectum óptico y la línea lateral ayudan a controlar en qué dirección se dobla el C-startle al desviar las celdas de mauthner cuando hay obstáculos en las proximidades. En los casos en que se bloquee el movimiento para alejarse del estímulo, el pez puede inclinarse hacia la perturbación. [1] [17]
Casquillo del axón
El montículo del axón de las células de Mauthner está rodeado por una formación densa de neuropilo, llamado casquete axónico . [2] La alta resistencia de este casquete axónico contribuye a la forma típica del potencial de campo celular de Mauthner (ver más abajo). En su forma más avanzada, el casquete axónico consta de un núcleo, inmediatamente adyacente al axón de la célula de Mauthner, y que contiene una red de fibras amielínicas muy delgadas y una parte periférica. Esta parte periférica contiene las grandes fibras amielínicas de las neuronas PHP (ver más abajo) que median la retroalimentación inhibitoria a la célula de Mauthner; la propia célula de Mauthner también envía pequeñas dendritas desde la colina del axón hasta la parte periférica del casquete axónico. Finalmente, la superficie del casquete axónico se cubre con una pared del casquete compuesta por varias capas de células gliales similares a astrocitos . Tanto las células gliales como las fibras amielínicas se acoplan entre sí mediante uniones gap . [18]
Desde el punto de vista evolutivo, el casquete axónico es un desarrollo más reciente que la propia célula de Mauthner, por lo que algunos animales, como las lampreas y las anguilas , aunque tienen células de Mauthner funcionales, no tienen casquete axónico en absoluto, mientras que otros animales, como los anfibios y pez pulmonado , tengo una versión muy simplificada. [2]
Red de comentarios
La parte principal de la red asociada a células de Mauthner es la red de retroalimentación negativa , que asegura que solo una de las dos células de Mauthner se dispara en respuesta al estímulo y que, cualquiera que sea la célula de Mauthner, lo hace solo una vez. Ambos requisitos son bastante naturales considerando que las consecuencias de la descarga de una sola célula de Mauthner son muy fuertes; el incumplimiento de estas dos reglas no solo evitaría que el animal se escape, sino que incluso podría dañarlo físicamente. La parte más rápida de esta red de retroalimentación negativa, que también es la más cercana a la célula de Mauthner, es la del llamado potencial de campo hiperpolarizante pasivo o neuronas PHP . [1] Las fibras de estas neuronas están ubicadas en el casquete axónico y reciben impulsos de las células de Mauthner ipsilaterales y contralaterales . Los potenciales de campo de las neuronas PHP son fuertemente positivos y forman parte del 'potencial de campo de firma' de la célula de Mauthner (ver más abajo), con el componente temprano (iniciado ipsilateralmente) que se denomina potencial hiperpolarizante extracelular (EHP), y el El componente posterior (iniciado contralateralmente) se aborda a veces en la literatura como la Inhibición Colateral Tardía (LCI). [18] La acción de las neuronas PHP sobre las células de Mauthner está mediada por efectos eléctricos y no químicos: las corrientes hacia el exterior generadas por los potenciales de acción en las fibras de la cubierta del axón fluyen hacia adentro a través del montículo del axón de las células de Mauthner y lo hiperpolarizan. [1]
Salidas
El único axón de la célula de Mauthner se extiende desde la célula hasta la línea media del rombencéfalo , lo cruza rápidamente hacia el lado contralateral y luego desciende caudalmente a lo largo de la médula espinal . [18] Una sola descarga de la célula M logra un conjunto completo de efectos paralelos sobre las redes motoras espinales: 1) excita monosinápticamente grandes motoneuronas primarias en un lado del cuerpo; 2) excita desinápticamente a motoneuronas más pequeñas en el mismo lado del cuerpo; 3) inicia potenciales de acción en interneuronas inhibidoras acopladas eléctricamente al axón de la célula M, y por su medio inhibe a) interneuronas inhibidoras aún en el mismo lado del cuerpo (para evitar que interfieran con el inicio C), así como b) motoneuronas en el otro lado del cuerpo. Como resultado de este patrón de activación, los músculos rápidos de un lado del cuerpo se contraen simultáneamente, mientras que los músculos del otro lado del cuerpo se relajan. [19]
Electrofisiología
Propiedades efápticas
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/6/66/Mauthner_Cell_axon_cap_schematic.svg/200px-Mauthner_Cell_axon_cap_schematic.svg.png)
La inhibición de la célula M por las células PHP se produce por interacciones efápticas . La inhibición se produce sin una sinapsis química o un acoplamiento sináptico eléctrico que tenga uniones gap de baja resistencia que unan las células. Cuando la región del axón de la célula PHP fuera del casquete del axón se despolariza, la entrada de carga positiva en la célula a través de los canales de sodio activados por voltaje se acompaña de una salida pasiva de corriente desde el axón de la célula PHP hacia la región unida por el casquete del axón. Debido a la alta resistencia de las células gliales circundantes, la carga no se disipa y el potencial a través de la membrana de la célula M aumenta, hiperpolarizándola.
Potencial de campo de firma
Debido a su tamaño, la presencia de una red de retroalimentación rápida y la abundancia de sinapsis eléctricas y cuasi eléctricas ( efápticas ), la célula de Mauthner tiene un fuerte potencial de campo de una forma muy característica. [6] [18] Este potencial de campo comienza con un potencial de alta amplitud que se hunde hasta decenas de milivoltios de amplitud que se origina en la descarga de la célula de Mauthner, y que es seguido de cerca por un potencial positivo, llamado potencial hiperpolarizante extrínseco o EHP, que está asociado con la actividad de la red de retroalimentación recurrente. [1]
Debido a su gran amplitud, en algunos animales, la parte negativa del potencial de campo celular de Mauthner puede detectarse hasta varios cientos de micrómetros de distancia de la propia célula. [6] Los componentes positivos del potencial de campo son más fuertes en el casquete axónico, alcanzando amplitudes de 45 mV en peces de colores adultos. [18] Con el conocimiento de estas propiedades del potencial de campo, es posible utilizar la monitorización del potencial de campo como una forma de encontrar el cuerpo celular de Mauthner in vivo o in vitro en una preparación de cerebro completo, moviendo el electrodo de registro en el rombencéfalo. , mientras que al mismo tiempo estimula la médula espinal , evocando así potenciales de acción antidrómicos en el axón de la célula de Mauthner. [18]
Plasticidad
Aplicación de la serotonina ha demostrado aumentar entradas inhibitorias a la de las células M, mientras que la aplicación de la dopamina - para aumentar la amplitud de ambos componentes eléctricos de las respuestas nerviosas VIII química y a través de una proteína G mediada por la activación de postsináptica del receptor D2 . [1] Se puede provocar una LTP dependiente de la actividad en las células M mediante una estimulación de alta frecuencia del VIII nervio. Sorprendentemente, esta LTP está mediada por sinapsis eléctricas y se presume que implica la modificación de los canales de unión gap . [1] También se demostró una posibilidad de inducción de LTP por estímulos sensoriales in vivo , [1] y la evidencia de la LTP de entradas inhibidoras a las células M [16] .
La preferencia espontánea en la dirección de giro en los peces de colores jóvenes se correlaciona con una de las células de Mauthner que es más grande que la otra. Es posible cambiar la preferencia de los peces criándolos en condiciones que faciliten los giros en una dirección específica; este cambio va acompañado de un cambio correspondiente en el tamaño de las celdas M. [20]
Historia de la investigacion
La célula de Mauthner fue identificada por primera vez por el oftalmólogo vienés Ludwig Mauthner en el pez teleósteo por su circuito neuronal asociado que media una respuesta de escape llamada C-start o C- sobresalto para alejar al pez de un depredador.
La celda M es un sistema modelo en el campo de la neuroetología . El sistema de células M ha servido para investigaciones neurofisiológicas e histológicas detalladas de la transmisión sináptica y la plasticidad sináptica . [1] Los estudios de Donald Faber y Henri Korn ayudaron a establecer la hipótesis de una vesícula de transmisión sináptica en el SNC . Otros temas de investigación importantes que se han investigado en el sistema de células M incluyen los estudios de Yoichi Oda y sus colegas sobre la potenciación inhibitoria a largo plazo y el condicionamiento auditivo de la respuesta de sobresalto, y los estudios de Alberto Pereda y sus colegas sobre la plasticidad de las sinapsis eléctricas . Otros temas de investigación investigados en el sistema de células M incluyen estudios de redes neuronales espinales y regeneración neuronal por Joe Fetcho y sus colegas, así como la localización de sonidos bajo el agua y la biofísica de la computación en neuronas individuales.
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