Durante décadas los investigadores han debatido si las células encefálicas llamadas astrocitos pueden emitir señales como las neuronas. Se ha publicado recientemente la mejor evidencia hasta el momento de que algunos astrocitos son parte de la conversación eléctrica.
Un artículo de Laura Dattaro. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.
Un encéfalo no es nada si no es comunicativo. Las neuronas son las parlanchinas de este órgano conversacional y se comunican entre sí intercambiando pulsos de electricidad utilizando mensajeros químicos llamados neurotransmisores. Al repetir este proceso miles de millones de veces por segundo, el cerebro convierte grupos de sustancias químicas en acciones coordinadas, recuerdos y pensamientos.
Los investigadores estudian cómo funciona el cerebro poniendo la oreja en esa conversación química. Pero las neuronas hablan tan alto y con tanta frecuencia que si hay otras voces más bajas puede resultar difícil escucharlas.
Durante la mayor parte del siglo XX, los neurocientíficos coincidieron en gran medida en que las neuronas son las únicas células encefálicas que propagan señales eléctricas. Se pensaba que todas las demás células encefálicas, llamadas glía, cumplían funciones puramente de apoyo. Entonces, en 1990, surgió un fenómeno curioso: los investigadores observaron un astrocito, un subtipo de célula glíal, que respondía al glutamato, el principal neurotransmisor que genera actividad eléctrica.
En las décadas posteriores, los equipos de investigación han presentado pruebas contradictorias: algunos informando que los astrocitos envían señales y otros replicando que definitivamente no lo hacen. El desacuerdo se manifestó en conferencias y en una revisión tras otra de la evidencia. Las dos partes parecían irreconciliables.
Un nuevo artículo publicado en Nature en septiembre presenta la mejor prueba hasta ahora de que los astrocitos pueden emitir señales, recopilada durante ocho años por un equipo codirigido por Andrea Volterra, profesor visitante en el Centro Wyss de Bio y Neuro Ingeniería en Ginebra, Suiza. El estudio incluye dos pruebas clave: imágenes de glutamato fluyendo desde los astrocitos y datos genéticos que sugieren que estas células, denominadas astrocitos glutamatérgicos, tienen la maquinaria celular para utilizar el glutamato como lo hacen las neuronas.
El artículo también ayuda a explicar las décadas de hallazgos contradictorios. Debido a que sólo algunos astrocitos pueden realizar esta señalización, ambos lados de la controversia tienen, en cierto sentido, razón: los resultados de un investigador dependen de qué astrocitos muestrea.
«Este estudio es genial porque proporciona una explicación de por qué ambos conjuntos de datos existían y eran contradictorios», comenta Christopher Dulla, profesor de neurociencia en la Universidad Tufts que estudia la señalización astrocítica y que no ha participado en el nuevo trabajo. «Tiendo a comprarlo».
El descubrimiento abre la posibilidad de que algunos astrocitos formen una parte esencial de los circuitos del encéfalo. «Cada vez llegamos más a la idea de que todos los tipos de células participan en el funcionamiento del encéfalo», afirma Volterra. «Está mucho más integrado de lo que se pensaba antes».
Una red comunicativa
El nombre generalista «glía» (de la palabra griega que significa «pegamento») para todas las células encefálicas que no son neuronas, como los astrocitos, transmite la opinión inicial de los científicos de que su objetivo principal era mantener unidas a las neuronas. Sin embargo, desde la primera descripción de los astrocitos en 1865, los investigadores han descubierto que pueden hacer mucho más. De entrada tienen receptores de glutamato, que utilizan para detectar y limpiar el exceso de neurotransmisores en los espacios alrededor de las neuronas.
Lo que ha estado menos claro es si pueden utilizar el glutamato para generar una señal eléctrica por sí mismas. En 1994, los investigadores estimularon astrocitos en una placa y observaron que las neuronas cercanas parecían responder preparándose para enviar una señal. Y en 1997 Volterra y sus colegas observaron la inversa: los astrocitos de rata respondían a las llamadas de las neuronas con ondas oscilantes de la molécula de señalización calcio. Entre 2000 y 2012, los investigadores publicaron más de 100 artículos que presentaban evidencia a favor de la capacidad de los astrocitos para comunicarse a través de sinapsis.
Pero otros cuestionaron cómo se había reunido e interpretado esa evidencia. En 2014, por ejemplo, los investigadores descubrieron que un modelo de ratón clave tenía fallos, lo que generó dudas acerca de los estudios anteriores que habían utilizado esos ratones.
Mientras tanto, la consideración de los astrocitos estaba evolucionando y los científicos comenzaban a considerarlos participantes activos en el procesamiento de la información por el encéfalo. Mientras que las neuronas y sus dendritas ramificadas a menudo se representan como árboles, los astrocitos se parecen más a un hongo, que forma una alfombra densamente tejida que cubre el encéfalo y comparte información entre sus partes constituyentes. De esta manera, los astrocitos parecen formar una red coordinada que influye en la actividad neuronal. Por ejemplo, en 2016, mientras realizaba una investigación neurocientífica en la Universidad de California en San Francisco, Kira Poskanzer descubrió que los astrocitos de ratón pueden hacer que las neuronas cercanas entren en un estado de sueño rítmico al regular el glutamato.
«Es menos una célula individual que hace lo suyo y más como parte de un equipo completo de células que trabajan juntas», afirma Poskanzer, ahora en la startup de biotecnología Arcadia Science.
Sin embargo, existe una diferencia entre absorber glutamato y realmente generar señales. Volterra creía que algunos astrocitos eran capaces de hacer esto último. Pero para demostrarlo necesitaba evidencia de que los astrocitos pueden enviar señales y tener las herramientas adecuadas para hacerlo de manera relevante y significativa.
Una nueva clase de células encefálicas
Volterra aprovechó un nuevo enfoque para estudiar el encéfalo: la secuenciación de ARN unicelular, que toma una instantánea del conjunto completo de genes activos en las células individuales de todo un tejido. Revisando ocho bases de datos de células del hipocampo de ratón, identificó nueve grupos de astrocitos que se distinguen por su actividad genética. Los astrocitos en uno, y solo uno, de los grupos transcribían proteínas que se sabe que están involucradas en el almacenamiento, liberación y transporte de neurotransmisores mediante vesículas, como ocurre en las neuronas. Las células no estaban distribuidas uniformemente en toda esta parte del encéfalo, ni siquiera en circuitos específicos.
Para ver si las personas tienen estas células, Volterra y su equipo buscaron en tres bases de datos de células del hipocampo humano las mismas firmas de proteínas que habían visto en los astrocitos de ratón. Las firmas aparecieron en los tres conjuntos de datos.
Sin embargo, esos datos genéticos seguían siendo una prueba indirecta. Volterra necesitaba mostrar la señalización en acción. Él y su equipo simularon una señal neuronal dirigida a los astrocitos en cortes de encéfalo de ratón y tomaron imágenes de las moléculas liberadas por los astrocitos. Algunos astrocitos, pero no todos, respondieron con glutamato. Y cuando los investigadores impidieron que los astrocitos usaran vesículas, las células ya no pudieron liberar glutamato.
Para Volterra la evidencia era clara. “Teníamos razón. Hay astrocitos que liberan glutamato”, afirma. «Pero también nos equivocamos, porque pensábamos que todos los astrocitos liberan glutamato».
Es casi seguro que los hallazgos alteren la comprensión actual de la forma en que se comunica el encéfalo, comenta Dmitri Rusakov, profesor de neurociencia en el University College de Londres que no ha participado en el trabajo. Pero de qué manera es una pregunta abierta.
Saber que los astrocitos pueden enviar señales es sólo el primer paso. Ese hecho no responde a cómo responden las sinapsis al glutamato astrocítico. No dice qué funciones requieren la señalización de los astrocitos en lugar de las neuronas o además de ellas. No explica por qué algunas áreas del encéfalo tienen más astrocitos glutamatérgicos que otras, o por qué un subconjunto utiliza esta función mientras que el resto no.
Más bien, como todos los nuevos descubrimientos, plantea nuevas preguntas que la ciencia debe responder.
«Tenemos un conjunto importante de pruebas», concluye Rusakov. «Ahora necesitas una teoría para unirlo todo».
El artículo original, These Cells Spark Electricity in the Brain. They’re Not Neurons., se publicó el 18 de octubre de 2023 en Quanta Magazine. Cuaderno de Cultura Científica tiene un acuerdo de distribución en castellano con Quanta Magazine.
Traducido por César Tomé López
Ar
Es muy interesante todo eso. De hecho, los extremos de las dendritas de varias neuronas, unidos, pueden cumplir algunas funciones de las neuronas.
Juan
Después de un par de interacciones en twitter para comentar el artículo original de Laura Dattaro, dejo aquí una explicación extensa que espero clarifique el error de la autora al indicar que los astrocitos producen electricidad en el cerebro.
El artículo de Quantamagazine tiene algunos errores en conceptos e interpretaciones a la hora de describir el trabajo de Volterra.
Hay que empezar explicando que ya se había demostrado que los astrocitos secretan sustancias como neurotransmisores y neuromoduladores, que afectan directamente a la actividad eléctrica neuronal. Este fenómeno se denominó gliotransmisión, y se describió como tal a finales de los 90’s (Araque et al. Journas of Neuroscience 1998, doi: 10.1523/JNEUROSCI.18-17-06822.1998.) recibiendo el nombre de gliotransmisión (Araque et al. Trends in Neuroscience 1999 doi: 10.1016/s0166-2236(98)01349-6; Araque et al. Annual Reviews of Phyiology 2001). Incluso la participación del astrocito en los procesos sinápticos se denominó “sinapsis tripartita” (Perea G, Navarrete M, Araque A. “Tripartite synapses: astrocytes process and control synaptic information” Trends in Neuroscience 2009). Pero, los trabajos descritos hasta ahora mostraban una forma de comunicación astrocito-neurona diferente a la sinapsis neuronal, en localización espacial y precisión temporal.
La novedad del trabajo de Volterra es que describe “una población de astrocitos” localizada en dos regiones del encéfalo (hipocampo y estriado) que tiene una maquinaria de exocitosis vesicular con propiedades de terminal sináptica glutamatérgica. Es decir, el astrocito responde a una estimulación de forma rápida (escala temporal menor de un segundo) y localizada espacialmente, en una sinapsis. Y este trabajo de Volterra destripa la maquinaria celular del astrocito que permite esta conexión que podría decirse sináptica.
Pero tanto los trabajos anteriores como este reciente de Volterra lo que se expresa es que la señal química (neurotransmisor o gliotransmisor) que pasa del astrocito a la neurona provoca alteración de la actividad eléctrica “en la neurona”. Aquí es donde llega el error de interpretación de la autora, y es que la sinapsis es una forma química de comunicación celular, no es eléctrica. La corriente eléctrica se produce en la neurona una vez que sus receptores sinápticos abren canales y dejan pasar iones, primero se produce un potencial sináptico y posteriormente un potencial de acción (si se dan las condiciones), que es la señal intracelular (solo en neuronas) que codifica información. Y hay que remarcar que la corriente eléctrica se inicia y termina en cada neurona, NO salta de una neurona a otra, para eso está la señal química de la sinapsis. Sin embargo, el astrocito no tiene la capacidad para generar una corriente eléctrica a través de su membrana que codifique información o que contribuya a liberar vesículas con neurotransmisores.
En el título cuando se afirma que los astrocitos generan electricidad, y más adelante en el texto se expresa “Researchers observed an astrocyte, a subtype of glial cell, responding to glutamate, the main neurotransmitter that generates electrical activity”. La autora olvida que la actividad eléctrica que el glutamato desencadena se produce en la neurona, la única célula con capacidad de generar electricidad como forma de codificar información en el sistema nervioso. En esa frase del texto, la palabra observed, tiene un enlace hacia un trabajo donde se describe que los astrocitos responden a la presencia de glutamato con un incremento citoplásmico de calcio. Pero, este fenómeno de incremento de calcio citoplásmico es una respuesta química mediada por segundos mensajeros (proceso muy conocido en la fisiología celular), que no genera electricidad. En otra frase expresa “these cells, dubbed glutamatergic astrocytes, have the cellular machinery to use glutamate the way neurons do”, pero se olvida que la maquinaria astrocitaria para liberar glutamato en la pre-sinapsis, no se activa por una señal eléctrica intracelular, sino debido a activación de receptor acoplado a proteína G y segundos mensajeros que produce incremento intracelular de calcio que se libera desde el retículo endoplásmico. Mientras que, en las neuronas la actividad eléctrica que se manifiesta en el potencial de acción, cuando llega a la terminal presináptica abre canales de calcio dependientes de voltaje que permiten el paso de calcio desde el exterior al interior de la pre-sinapsis y la posterior fusión de vesículas. Dos mecanismos completamente diferentes, uno que NO depende de corrientes eléctricas en astrocitos, y otro que usa la corriente eléctrica para desencadenar el mismo fenómeno.
En conclusión, la autora confunde el hecho de que los astrocitos pueden modular la actividad eléctrica de las neuronas mediante un mecanismo sináptico, con que los astrocitos «producen electricidad» ya que liberan glutamato. Insisto, no hay un solo resultado en el campo de la investigación astrocito-neurona ni en el trabajo de Volterra, ni en los anteriores (es decir hasta la fecha), mostrando que los astrocitos tienen capacidad de generar electricidad como célula individual. Y por tanto, es imposible que se la actividad eléctrica del astrocito active la maquinaria para producir exocitosis. En conclusión, el título y alguna de las ideas sobre células no neuronales que generan electricidad en el cerebro, como propone la autora de Quantamaganize es completamente un error.
Juan
Pues hoy 3 de nov a las 13:00 hay una charla sobre fisiología de la interacción astrocito-neurona en Achúcarro Basque Center for Neuroscience. Datos de primera mano recién publicados en Cell Rep y bastante más sobre este tema.
https://www.achucarro.org/es/seminar/2023-11-juliana-m-rosa/
Astrocytes as key elements in the efficiency of sensory information processing by cortical networks
Juliana M Rosa
Hospital Nacional de Parapléjicos, IDISCAM (Toledo, Spain)
03 Nov 2023 13:00
Aketxe Room, Sede Building, Leioa
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Cortical astrocytes are able to respond to peripheral sensory stimulation by following the somatotopic neuronal arrangement. But how this mirroring astrocytic activity contributes to the computation of information to regulate behavior is less clear. In this talk, I will present our latest results showing the ability of astrocytes in adjusting the sensitivity and gain of cortical networks involved in the processing and discrimination of specific sensory modalities. We demonstrate that by controlling the level of ongoing spontaneous activity and connectivity across layers, cortical astrocytes regulate the integration and processing of arriving inputs through a cell-circuit specialization with inhibitory neurons. Also, I will show data demonstrating that the astrocytic-modulation of sensory processing is layer-specific, impacting the discrimination of tactile and thermal inputs known to arrive at distinct layers of the cortical column. All the aforementioned results, demonstrates that astrocytes control the background excitability of cortical circuitries to optimize neuronal computation of sensory inputs, thereby contributing to sensory processing and behavior output.
El artículo
https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S2211-1247%2823%2900961-0
Saludos