Imagen: Biblioteca de imágenes de biociencias de Fayette Reynolds en Unsplash
El “cuarto pilar” de la comunicación cerebral tiene un impacto potencial en el Alzheimer y otras enfermedades.
por Shelly Fan
Las neuronas son como pequeños árboles. Poseen una intrincada red de raíces que captan señales y un tronco que las transmite a ramas con centros llamados sinapsis, donde los mensajes se transmiten a las neuronas vecinas.
Es una analogía muy vaga, pero podría ser más precisa de lo que los neurocientíficos creían.
A la altura de la vista, los árboles parecen crecer solos, separados físicamente de otros árboles cercanos. Pero bajo tierra, sus raíces están cubiertas por un hongo con diminutos canales filiformes. Estos tejen las raíces de los árboles en una vasta red llamada “red micorrízica”. A través de estas conexiones físicas, los árboles pueden compartir agua, nutrientes y señales químicas como hormonas, lo que les permite comunicarse en lo que se ha denominado una ” red arbolada “.
Las neuronas podrían tener una red similar. Un nuevo estudio con imágenes de cerebros de ratones y humanos descubrió túneles dinámicos de nanotubos que conectan las dendritas, las raíces de las neuronas. Estas estructuras tenues parecen surgir de cualquier punto de la vasta red dendrítica y se disuelven en minutos u horas.
Los científicos aún desconocen su función exacta. Pero los nanotubos pueden transferir señales eléctricas entre neuronas, una habilidad que generalmente solo se atribuye a las sinapsis. También permiten que las neuronas compartan proteínas, incluidas las relacionadas con la enfermedad de Alzheimer.
“El descubrimiento sugiere que la comprensión actual de la organización del cerebro puede ser incompleta y pasar por alto una capa oculta de conectividad”, escribieron Dimitri Budinger y Michael Heneka de la Universidad de Luxemburgo, quienes no participaron en el estudio.
Túneles vivientes
Los nanotubos son comunes en la naturaleza. Es bien sabido que las bacterias extienden sus membranas formando tubos para compartir material genético con sus vecinas. Esta red facilita la rápida propagación de genes beneficiosos para las bacterias, incluyendo aquellos que les confieren resistencia a los antibióticos.
Las células de mamíferos también lo hacen. Hace unas dos décadas, un equipo observó tubos frágiles, similares a membranas, que conectaban espontáneamente células de riñón de rata en una placa. Aunque ambos lados de las vías de nanotubos están completamente abiertos, tienen reglas sorprendentemente precisas para la regulación de la carga. Por ejemplo, algunos permiten que las células transporten orgánulos selectos (componentes relativamente autónomos con funciones específicas dentro de las células), pero solo en una dirección. Otras cargas, como las proteínas que flotan en el interior acuoso de la célula, están completamente prohibidas.
Posteriormente, los científicos descubrieron estos esquivos nanotúneles en diversos tipos de células cultivadas en placas de Petri, como células inmunitarias , células cancerosas y células madre . Los túneles ayudaron a regular las infecciones virales, la propagación del cáncer y el desarrollo de órganos. A principios de este año, un grupo observó nanotubos en embriones vivos de pez cebra. La función de los nanotubos parece depender del tipo de célula y tejido, pero comparten similitudes en su composición estructural y naturaleza transitoria.
Señales reveladoras también sugieren que ayudan al cerebro a mantenerse sano, al menos en una placa de cultivo. A medida que las proteínas tóxicas implicadas en las enfermedades de Parkinson y Alzheimer se acumulan, las neuronas forman nanotubos que llegan a la microglía, las células inmunitarias del cerebro. Llamados nanotubos tunelizadores, o TNT, las vías recién construidas transportan proteínas tóxicas de la neurona a la microglía. A cambio, la microglía dona mitocondrias sanas a las neuronas dañadas para un refuerzo antioxidante.
“Fue emocionante observar que la microglía desempeña un papel activo en el mantenimiento de la salud neuronal y el apoyo a las neuronas en momentos de necesidad”, dijo la autora del estudio, Hannah Scheiblich, quien trabajó con Heneka en el proyecto, en un comunicado de prensa en ese momento.
Los científicos están estudiando los TNT en otras enfermedades cerebrales, como el ictus y el cáncer cerebral. Pero observarlos en el cerebro ha sido un dolor de cabeza. Los túneles son increíblemente delgados (una fracción de un cabello humano) y extremadamente frágiles. Bajo la microscopía convencional, se pierden fácilmente en la densa y caótica maraña de ramificaciones neuronales.
El bosque por los árboles
En el nuevo estudio, el equipo analizó una gran colección de imágenes de microscopio electrónico de cerebros de ratones y humanos. Encontraron indicios de curiosos nanotúneles similares a los TNT. Sin embargo, no eran idénticos. Por un lado, los nuevos tubos conectaban dendritas (las raíces neuronales que captan señales) en lugar de brotar del tronco más largo de una neurona. Además, su longitud era inferior a un tercio de la de los TNT.
A continuación, el equipo obtuvo imágenes de finísimas secciones de cerebro de ratón vivo y cultivó neuronas humanas con microscopía de superresolución. Mediante aprendizaje automático, separaron las delgadas estructuras de las ramas neuronales relativamente más gruesas y las observaron.
Al igual que los TNT, los nanotubos dendríticos están compuestos principalmente de una proteína estructural llamada actina. Son muy dinámicos, surgiendo y disolviéndose en cuestión de minutos u horas.
El corto lapso de tiempo podría afectar el funcionamiento de las neuronas. Nuestras neuronas transmiten mensajes de tres maneras principales. Las sinapsis son el pilar. Estos sofisticados “centros” convierten las señales eléctricas en mensajeros químicos para transmitir información. Las uniones comunicantes ofrecen una ruta menos frecuente, pero más rápida: dependen exclusivamente de señales eléctricas. Las terceras son como “naves espaciales” que las neuronas utilizan para lanzar diversos biomateriales a otras células cercanas que influyen en su función.
Los nanotubos dendríticos parecen ser una herramienta versátil. Transmiten señales eléctricas en forma de calcio, que las neuronas necesitan para activarse. Cuando aumentan artificialmente la cantidad de calcio en una neurona, las neuronas vecinas también registran un aumento. Añadir una sustancia química que destruye los nanotubos bloquea parcialmente el efecto.
Las dendritas son minicomputadoras por sí mismas , con sinapsis que procesan las señales entrantes en paralelo y luego envían los resultados a otras partes de la célula para su posterior procesamiento. Los nanotubos parecen operar independientemente de las sinapsis. Crean una red que podría alterar la actividad de las dendritas y permitir que las neuronas compartan información fuera de las rutas sinápticas habituales.
“Lo que hace que los nanotubos dendríticos sean conceptualmente emocionantes es que amplían el repertorio de formas conocidas de comunicación entre neuronas”, escribieron Budinger y Heneka.
Amigo o enemigo
A diferencia de los TNT, los nanotubos dendríticos están cerrados en ambos extremos. Si bien los científicos no están completamente seguros de cómo y por qué ocurre esto, esta peculiaridad podría ayudar a regular el transporte de proteínas, incluidas las dañinas. Cuando el equipo añadió beta-amiloide humana (una proteína implicada en el Alzheimer) a una sola neurona de ratón en una placa de Petri, esta se propagó rápidamente a otras neuronas. La transferencia se interrumpió de raíz al destruir los nanotubos.
Los túneles tenues también aparecieron en un modelo murino de Alzheimer. Su conectividad aumentó en la parte frontal del cerebro a los tres meses de edad (el equivalente aproximado a la edad adulta joven en años humanos) y mucho antes de que se observaran signos de acumulaciones tóxicas de beta-amiloide.
Pero los efectos fueron matizados. Las simulaciones por computadora respaldaron la idea de que los nanotubos contribuyen a la propagación de la beta-amiloide, pero solo en dosis bajas, lo que podría ayudar a diluir la carga tóxica para una sola célula. Sin embargo, en dosis altas, los túneles se desintegran y secuestran los grumos dentro de las células infectadas, posiblemente impidiendo su propagación.
Estos resultados son solo una pequeña muestra. El equipo está explorando qué carga (proteínas específicas, moléculas de ARN u orgánulos) se transporta preferentemente, cómo se altera su abundancia durante el envejecimiento y las enfermedades, y si se intersecan con los TNT clásicos.
Aun así, el descubrimiento «subraya que el conectoma cerebral, el mapa completo de todas las conexiones neuronales del cerebro, es más que un diagrama de cableado de sinapsis» y debería incluir estos enlaces transitorios a escala nanométrica que aparecen y desaparecen, escribieron Budinger y Heneka. Son el «cuarto pilar de la comunicación intercelular».