Estudio: el cerebro usa dos sistemas sinápticos distintos para el aprendizaje y la estabilidad
Los científicos han pensado durante mucho tiempo que todas las señales cerebrales, tanto las aleatorias como las impulsadas por la experiencia, utilizaban las mismas vías. Sin embargo, nuevas investigaciones demuestran que estos dos tipos de actividad provienen en realidad de diferentes partes de la sinapsis. En la corteza visual de los ratones, los investigadores descubrieron que las señales espontáneas y las evocadas siguen vías de desarrollo separadas. Este descubrimiento podría ayudar a explicar cómo el cerebro se mantiene estable mientras se adapta a nuevas experiencias.
El cerebro humano se dedica constantemente a aprender nueva información y mantener un funcionamiento estable. Un nuevo estudio publicado en Science Advances revela la base estructural de este equilibrio: diferentes sitios sinápticos gestionan distintos tipos de señales neuronales. Este hallazgo podría cambiar nuestra comprensión de cómo el cerebro favorece tanto la adaptabilidad como la coherencia.
Un equipo de neurocientíficos de la Universidad de Pittsburgh (EE. UU.), dirigido por el Dr. Oliver Schlüter, ha demostrado que dos tipos de señalización sináptica —espontánea y evocada— dependen de sitios anatómicos distintos. Contrariamente a la opinión predominante durante mucho tiempo de que estos dos procesos comparten el mismo mecanismo, el estudio muestra que están separados funcional y estructuralmente dentro de las sinapsis individuales.
Comprender el equilibrio entre el aprendizaje y la estabilidad
Los neurocientíficos llevan mucho tiempo estudiando cómo el cerebro aprende de la experiencia mientras mantiene bajo control su actividad básica. Por un lado, la plasticidad cerebral permite la formación de nuevos recuerdos, habilidades y respuestas conductuales. Por otro lado, una plasticidad excesiva o la inestabilidad de los circuitos neuronales pueden provocar disfunciones.
En este equilibrio son fundamentales dos formas de transmisión sináptica. La transmisión evocada se refiere a la liberación de neurotransmisores en respuesta a un estímulo, como una entrada visual. Este tipo de señalización depende de la experiencia y a menudo se asocia con el aprendizaje y la plasticidad asociativa.
La transmisión espontánea, a veces denominada transmisión en miniatura o de fondo, se produce sin un estímulo externo. Refleja un nivel básico de actividad sináptica y se cree que contribuye a la plasticidad homeostática, es decir, a los mecanismos que mantienen la estabilidad neural general.
Hasta ahora, muchos investigadores asumían que tanto la transmisión evocada como la espontánea dependían de los mismos sitios de liberación presináptica y de la misma disposición de los receptores postsinápticos. El nuevo estudio cuestiona esta teoría y presenta pruebas de que estos dos modos funcionan a través de estructuras anatómicamente distintas.
Lo que investigaron los científicos
El estudio fue realizado por Yue Yang (primer autor), Oliver Schlüter (autor principal) y sus colegas del Departamento de Neurociencia de la Universidad de Pittsburgh. Se centró en el desarrollo de la función sináptica en la corteza visual primaria del ratón, especialmente durante el periodo inmediatamente posterior a la apertura de los ojos, cuando la experiencia visual comienza a moldear la actividad neuronal.
Como se indica en la introducción del artículo, los autores se propusieron determinar si las sinapsis de la corteza utilizan estructuras postsinápticas compartidas o separadas para mediar la transmisión evocada y espontánea. Plantearon la hipótesis de que distintos sitios sinápticos podrían desempeñar las diferentes funciones de estas transmisiones: la señalización evocada para el aprendizaje y la señalización espontánea para la estabilidad.
Métodos y diseño experimentales
Para abordar esta cuestión, los autores utilizaron una combinación de registros electrofisiológicos, marcaje molecular, manipulación farmacológica y técnicas de imagen de alta resolución.
El enfoque experimental principal consistió en registros de patch-clamp de células completas de neuronas de la corteza visual de ratones. Esta técnica permitió a los investigadores medir las corrientes sinápticas generadas tanto por la actividad evocada como por la espontánea. Los autores registraron estas corrientes en diferentes etapas del desarrollo, especialmente antes y después de la apertura de los ojos.
Para distinguir entre los diferentes tipos de sitios sinápticos, los investigadores manipularon los receptores de glutamato de tipo AMPA (AMPAR), que son fundamentales para la transmisión sináptica excitatoria rápida. Mediante la aplicación de un activador farmacológico de los AMPAR, pudieron «desactivar» las sinapsis que antes estaban inactivas, lo que permitió observar cómo estos cambios afectaban de manera diferente a la transmisión evocada y espontánea.
El estudio identificó dos clases de sitios sinápticos:
- Sitios silenciables: son inicialmente inactivos, pero pueden activarse mediante la inserción de AMPAR, contribuyendo principalmente a la transmisión evocada.
- Sitios inactivos: muestran actividad espontánea continua y responden de forma diferente a la modulación AMPAR.
Al analizar cómo se comportaron estos sitios durante el desarrollo y en respuesta a la manipulación experimental, los autores pudieron caracterizar sus funciones distintivas.
¿Qué hace que este estudio sea innovador?
El estudio presenta un nuevo marco para comprender cómo las sinapsis corticales individuales pueden albergar dos tipos de comunicación. Tal y como escriben los autores, «describimos dos tipos distintos de sitios de transmisión, denominados silenciables e inactivos, cada uno de los cuales participa de forma diferenciada en la transmisión evocada o en miniatura en la corteza visual del ratón».
También afirman que «ambos sitios funcionaban con un modo binario postsináptico con diferentes tamaños y mecanismos unitarios». Esto sugiere que los dos tipos de sitios sinápticos son estructural y funcionalmente distintos, en lugar de compartir el mismo espacio sináptico.
Este modelo de doble sitio ayuda a explicar cómo el cerebro puede mantener simultáneamente una señalización basal estable mientras se adapta a la experiencia. Los autores destacan que, tras la apertura de los ojos, la señalización evocada siguió aumentando debido a la inserción de AMPAR en sitios silenciables, mientras que la transmisión espontánea se mantuvo constante, debido a un mecanismo de equilibrio en sitios inactivos.
Resultados clave en detalle
El estudio presenta varias conclusiones fundamentales, entre las que se incluyen:
- «Informamos de dos tipos distintos de sitios de transmisión, denominados silenciables e inactivos, cada uno de los cuales participa de forma distinta en la transmisión evocada o en miniatura en la corteza visual del ratón».
- «Ambos sitios funcionaban con un modo binario postsináptico con diferentes tamaños y mecanismos unitarios».
- «Durante el desarrollo posnatal, los sitios silenciables se desactivaron mediante la plasticidad asociativa con la incorporación del receptor α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropionato (AMPA), lo que aumentó la transmisión evocada».
- «La transmisión en miniatura se mantuvo constante, donde los cambios en el estado del receptor AMPA equilibraron la desactivación con un aumento de la inactividad en los sitios inactivos».
- «Las sinapsis corticales espinales individuales mediaban dos tipos de transmisión paralelos e interactivos, que contribuían predominantemente a la plasticidad asociativa o homeostática».
Estos hallazgos sugieren que las trayectorias de desarrollo de la transmisión espontánea y evocada divergen significativamente. Las respuestas evocadas se vuelven más fuertes con el tiempo, lo que refleja la plasticidad dependiente de la experiencia. Por el contrario, las respuestas espontáneas se mantienen en un nivel estable, lo que respalda la regulación homeostática.
Los autores también hacen hincapié en que ambos tipos de transmisión pueden producirse dentro de la misma espina dendrítica, pero a través de mecanismos reguladores diferentes.
Interpretación de los autores
En la sección de debate, los autores sugieren que esta separación de la función sináptica proporciona un mecanismo importante para equilibrar el aprendizaje y la estabilidad. Afirman que sus resultados «revelan un principio organizativo clave», según el cual los diferentes tipos de transmisión se llevan a cabo en sitios sinápticos separados, lo que permite al cerebro gestionar simultáneamente la plasticidad y la homeostasis.
Además, proponen que la inserción de AMPAR funciona como un interruptor binario, lo que permite que las sinapsis individuales cambien entre diferentes modos de transmisión. Según ellos, este mecanismo podría ayudar a explicar cómo las neuronas ajustan sus propiedades de señalización en respuesta a señales de desarrollo y experiencias sensoriales.
Los investigadores señalan que, aunque sus hallazgos se refieren específicamente a la corteza visual, los principios que describen podrían aplicarse también a otras regiones del cerebro. Abogan por seguir investigando para determinar la extensión de esta arquitectura sináptica de doble modo y su posible implicación en diversas formas de plasticidad.
Limitaciones del estudio y perspectivas futuras
Los autores reconocen varias limitaciones en su estudio. Por ejemplo, aunque pudieron distinguir funcionalmente entre sitios silenciables e inactivos, la composición molecular precisa de estos sitios aún no se ha definido completamente.
También señalan que sus conclusiones se basan en experimentos realizados en ratones y dentro de un periodo de desarrollo específico. Es necesario seguir investigando para determinar si mecanismos similares operan en animales adultos o en otros sistemas sensoriales.
El estudio no intentó relacionar estos hallazgos con la cognición humana o las enfermedades neurológicas, y los autores se abstienen de hacer interpretaciones clínicas.
Conclusión
Este estudio arroja nueva luz sobre cómo el cerebro organiza su maquinaria sináptica para dar respuesta a diferentes necesidades de señalización. Al demostrar que la transmisión espontánea y la evocada dependen de sitios postsinápticos separados, los autores proporcionan una base estructural para la coexistencia del aprendizaje y la estabilidad en la corteza cerebral.
Tal y como se afirma en el artículo, «esta organización proporciona un marco mecánico para equilibrar los requisitos de homeostasis y plasticidad en la corteza cerebral».
El estudio completo está disponible en Science Advances con el DOI: 10.1126/sciadv.ads5750.
La información en este artículo se proporciona únicamente con fines informativos y no constituye asesoramiento médico. Para obtener asesoramiento médico, consulta a tu médico.
