Punta dendrítica

Los canales de sodio dependientes de voltaje son proteínas que se encuentran en la membrana de las neuronas. Cuando se activan eléctricamente, permiten el movimiento de iones de sodio a través de una membrana plasmática . Estos canales son responsables de la propagación de señales eléctricas en las células nerviosas. Los canales de sodio dependientes de voltaje se pueden dividir en dos subunidades: alfa y beta. Se han identificado varios canales de sodio dependientes de voltaje de la subunidad alfa. Los canales de sodio dependientes de voltaje que se encuentran en los mamíferos se pueden dividir en tres tipos: Nav1.x, Nav2.x y Nav3.x. Los canales de sodio Nav1.x están asociados con el sistema nervioso central . Nav1.1, Nav2.2 y Nav1.6 son tres isoformas de los canales de sodio dependientes de voltaje que están presentes en altos niveles en el sistema nervioso central del cerebro de una rata adulta. ^{[ 5 ]} Estos canales han sido bien documentados en la membrana axonal del sistema nervioso central. Nav1.2 se ha identificado principalmente en axones amielínicos, mientras que se han observado altas concentraciones de Nav1.6 en los nódulos de Ranvier de los axones. ^{[ 6 ]} Nav1.6 se ha identificado en las dendritas de las neuronas CA1 del hipocampo que generan espigas dendríticas; la densidad de Nav1.6 en estas neuronas es de 35 a 80 veces menor que en los segmentos iniciales de los axones. ^{[ 7 ]}

La distribución de los canales de sodio dependientes de voltaje a lo largo de la membrana dendrítica desempeña un papel crucial en la capacidad de una dendrita para propagar una señal. Los altos umbrales de la membrana dendrítica a menudo dificultan la iniciación de los potenciales de acción dendríticos. Sin embargo, una mayor densidad de canales de sodio dependientes de voltaje puede reducir la amplitud de la señal necesaria para iniciar un potencial de acción. Se ha observado la agrupación de canales de sodio dependientes de voltaje en las sinapsis de la neurona del globo pálido . ^{[ 8 ]} También se ha demostrado mediante modelos computacionales dendríticos que la amplitud umbral de una conductancia sináptica necesaria para generar un potencial de acción dendrítico es significativamente menor si los canales de sodio dependientes de voltaje se agrupan en la sinapsis. ^{[ 8 ]} El mismo tipo de canales dependientes de voltaje puede diferir en su distribución entre el soma y la dendrita dentro de la misma neurona. No parece existir un patrón general de distribución para los canales dependientes de voltaje dentro de las dendritas. Las distintas dendritas neuronales presentan diferentes patrones de densidad que están sujetos a cambios durante el desarrollo y pueden ser modulados por neurotransmisores . ^{[ 4 ]}

Al igual que los canales de sodio dependientes de voltaje, los canales de calcio dependientes de voltaje también son proteínas de membrana integrales que se encuentran en la membrana plasmática. Los canales de calcio dependientes de voltaje generan potenciales de acción mediante los mismos mecanismos que los canales de sodio dependientes de voltaje. Se han identificado varios canales de calcio dependientes de voltaje en las neuronas. Los canales de calcio dependientes de voltaje de tipo N y P/Q son los subtipos principales que se ha encontrado que sustentan la transmisión sináptica. ^{[ 9 ]} Estos canales se concentran en las terminales nerviosas . Se han encontrado canales de calcio dependientes de voltaje de tipo T y de tipo R en las dendritas basales, y se cree que la activación de estos canales durante las ráfagas de potenciales de acción conduce a la generación de picos de calcio dendríticos. ^{[ 10 ]} Los canales de tipo T y de tipo R forman parte de la clase de subunidad alfa 1 de canales de calcio.

Los distintos tipos de canales de calcio dependientes de voltaje dan lugar a dos formas de activación por voltaje: corrientes de calcio activadas por bajo voltaje (LVA) y activadas por alto voltaje (HVA). En los núcleos cerebelosos profundos, las corrientes de calcio no se distribuyen uniformemente a lo largo de una dendrita. ^{[ 11 ]} La fuerza relativa de las corrientes de calcio LVA se concentra significativamente más en el extremo distal de las dendritas. La distribución desigual de las corrientes de calcio LVA sugiere su importante papel en la integración dendrítica en las entradas sinápticas. ^{[ 11 ]}

Los canales de potasio dependientes de voltaje son otro tipo de canales iónicos que desempeñan un papel importante en la iniciación de los potenciales de acción dendríticos. Al igual que los canales de sodio y calcio dependientes de voltaje, estos canales facilitan el paso de cationes a través de la membrana plasmática. Sin embargo, a diferencia de estos últimos, los canales de potasio dependientes de voltaje expulsan los cationes de la célula, lo que ejerce un efecto inhibidor sobre la iniciación de los potenciales de acción dendríticos.

El canal de potasio dependiente de voltaje de tipo A transitorio es un canal específico que desempeña un papel clave en la iniciación de los potenciales de acción dendríticos. La densidad de los canales de sodio y calcio dependientes de voltaje es similar tanto en dendritas como en axones; sin embargo, la membrana dendrítica es mucho menos excitable que la membrana axonal. ^{[ 12 ]} La diferencia en la excitabilidad puede atribuirse a la presencia de estos canales de potasio dependientes de voltaje. Los canales de potasio dependientes de voltaje inhiben la capacidad de las dendritas para generar potenciales de acción y disminuyen la amplitud de los potenciales de acción dendríticos con el aumento de la distancia al soma. La capacidad de los canales de potasio dependientes de voltaje para modular la señalización dendrítica puede tener efectos significativos en la plasticidad sináptica .

Los potenciales de acción que se inician en el axón normalmente viajan a lo largo del axón, alejándose del soma. Sin embargo, también es posible que un potencial de acción viaje en la dirección opuesta, invada el soma y luego se desplace por la dendrita como una espiga dendrítica. ^{[ 13 ]} Esta señal retrógrada proporciona información a la sinapsis de que la neurona ha disparado una salida. ^{[ 4 ]} La eficacia de la señal varía entre los diferentes tipos neuronales. Por ejemplo, la propagación retrógrada de potenciales de acción es muy limitada en las células de Purkinje del cerebelo ^{[ 14 ]} pero es bastante frecuente en las interneuronas de la capa ganglionar media del lóbulo similar al cerebelo de algunos peces. ^{[ 15 ]}

Los potenciales de acción pueden generarse inicialmente en la dendrita si se estimulan mediante fuertes entradas sinápticas sincrónicas. ^{[ 16 ]} La capacidad de una dendrita para iniciar un potencial de acción no solo depende en gran medida de la entrada sináptica, sino también del número de canales dependientes de voltaje y de la densidad de estos canales presentes en la membrana.

La iniciación de un pico dendrítico a través de una única entrada sináptica fuerte no garantiza que el pico se propague de manera confiable a largas distancias. ^{[ 17 ]} Si se activan múltiples sinapsis simultáneamente, los picos dendríticos pueden formarse a través de la sumación espacial . La sumación espacial implica la adición de múltiples señales de entrada que resultan en una señal más grande y posiblemente un pico dendrítico. Se ha demostrado que las neuronas CA1 del hipocampo producen una propagación confiable de picos dendríticos a través de la sumación espacial de múltiples entradas sinápticas. En el hipocampo , las neuronas CA1 contienen dos regiones distintivas que reciben entradas sinápticas excitatorias: la vía perforante (PP) a través del penacho dendrítico apical (500-750 μm del soma) y la colateral de Schaffer (SC) a través de las dendritas basales y apicales (250-500 μm del soma). ^{[ 17 ]} Los estudios muestran que la estimulación individual de las PP o las SC no fue suficiente para permitir que un pico dendrítico iniciara un potencial de acción. Sin embargo, se demostró que cuando se producía un pico dendrítico debido a la estimulación de las PP, la presencia de una estimulación de las SC determinaba si la señal se propagaría o no al soma. ^{[ 17 ]}

Los potenciales de acción dendríticos suelen propagarse hacia atrás desde el soma hacia las ramas dendríticas distales . Esta propagación hacia atrás cumple diversas funciones en la neurona, las cuales varían según el tipo de neurona. En general, la propagación hacia atrás sirve para comunicar información de salida a la membrana postsináptica. ^{[ 4 ]} En muchas neuronas que liberan neurotransmisores, la propagación hacia atrás de los potenciales de acción dendríticos señala la liberación de estos. ^{[ 18 ]} Por ejemplo, las células mitrales parecen funcionar tanto como neuronas de proyección como interneuronas locales. Si la salida axonal de una célula mitral se bloquea por inhibición somática, los potenciales de acción dendríticos locales provocan que la célula mitral libere neurotransmisores al entorno. ^{[ 18 ]} La propagación hacia atrás de los potenciales de acción dendríticos se ha demostrado en varios tipos de neuronas del cerebro, pero rara vez se ha estudiado fuera de él . Además de en las neuronas del cerebro, se han observado espículas dendríticas en las neuronas de la médula espinal .

La propagación hacia adelante de los potenciales de acción dendríticos se inicia debido a la actividad sináptica y se refiere a la transmisión de la señal hacia el soma. ^{[ 17 ]} La fuerza de la estimulación sináptica necesaria para generar un potencial de acción dendrítico varía entre los tipos neuronales. Las neuronas que reciben relativamente pocas entradas no pueden depender de la sumación espacial y, por lo tanto, deben depender de entradas sinápticas más fuertes. Algunas neuronas relativamente poco ramificadas, como la neurona del globo pálido, evitan la necesidad de una entrada sináptica fuerte mediante el aumento de las concentraciones de canales de sodio dependientes de voltaje en la sinapsis. ^{[ 8 ]} Otras neuronas más ramificadas, como las neuronas piramidales , dependen de la sumación espacial de múltiples entradas para generar potenciales de acción dendríticos que se propagan hacia adelante. La propagación hacia adelante no se comprende bien y se dedica mucha investigación al tema . La mayoría de los expertos piensan que

que este fenómeno no ocurre en las neuronas fuera del cerebro.

La liberación de glutamato mediante dos fotones, un tipo de fotoestimulación , se ha convertido en la principal herramienta para estudiar las espículas dendríticas debido a su alto nivel de precisión. ^{[ 19 ]}

La técnica de registro de pinzamiento de parche se utiliza para medir la actividad eléctrica en las neuronas. Esta técnica emplea una micropipeta de vidrio de punta abierta de un micrómetro de diámetro para succionar la membrana celular. La pipeta se llena con una solución iónica y se coloca un alambre de plata en la solución para conducir y amplificar las señales eléctricas. La solución iónica puede variarse y se pueden administrar fármacos a través de la micropipeta para estudiar los efectos de la corriente en diversas condiciones. A menudo se aplican antagonistas de receptores y canales iónicos dependientes de voltaje (por ejemplo, níquel para bloquear los receptores NMDA) para estudiar los efectos de los canales iónicos en la iniciación de potenciales de acción dendríticos. ^{[ 10 ]} La inyección de corriente se suele combinar con registros de pinzamiento de parche para observar la modulación de la corriente debida a diversos factores experimentales.

También se ha demostrado que los métodos de registro con tetrodos permiten, en ocasiones, la observación de potenciales de membrana dendríticos y potenciales de acción dendríticos. ^{[ 20 ]} Curiosamente, el paradigma de registro crónico que demostró esto también mostró que las propiedades de voltaje dendrítico exhibían mapas espaciales egocéntricos comparables a los de las neuronas piramidales. Este raro fenómeno puede deberse a una vaina glial ^{[ 21 ]} que se forma alrededor de las puntas del tetrodo, creando un mar de alta impedancia, similar a un sello de gigaohmios en registros de parche , que permite realizar mediciones de voltaje tan pequeñas y localizadas.

Las técnicas de tinción y marcaje se utilizan frecuentemente en microscopía para ayudar a identificar estructuras específicas en una célula. La tinción generalmente implica el uso de colorantes que son absorbidos por diversas estructuras celulares a diferentes velocidades. El marcaje implica el uso de fluorescencia para identificar moléculas específicas. Los fluoróforos , moléculas fluorescentes, pueden unirse directamente o a un anticuerpo para detectar una diana específica. En el caso de las espículas dendríticas, la tinción y el marcaje se utilizan para identificar y cuantificar la presencia de ciertos canales iónicos dependientes de voltaje. Por ejemplo, se han utilizado anticuerpos policlonales de conejo generados contra secuencias de péptidos sintéticos para identificar la presencia de los canales de sodio Nav1.2, Nav1.3 y Nav1.6 en las dendritas de la neurona del globo pálido. ^{[ 8 ]}

La modelización computacional de neuronas, o redes neuronales artificiales , se ha convertido en una herramienta muy popular para investigar las propiedades de la señalización neuronal. Estos modelos se basan en redes neuronales biológicas. La modelización computacional puede utilizarse para estudiar neuronas individuales, grupos de neuronas o incluso redes neuronales. Este campo ha generado gran interés y sirve como herramienta para todas las ramas de la investigación en neurociencia, incluyendo la iniciación de potenciales de acción dendríticos.