Cómo compiten las neuronas para perder su enlace

Los investigadores detallan el mecanismo de cómo las sinapsis compiten entre sí y cómo se eliminan las sinapsis débiles y ruidosas durante el desarrollo.

Universidad de Kyushu

imagen: En el desarrollo temprano, las neuronas llamadas células mitrales desarrollan múltiples ramificaciones para conectarse con múltiples glomérulos. Como un bonsái, a medida que avanza el desarrollo, las ramas se fortalecen y se podan. Pero mientras los investigadores investigaron de cerca el mecanismo de fortalecimiento de las ramas, la forma en que se indujo la poda permaneció poco estudiada. Investigadores de la Universidad de Kyushu descubrieron que cuando las células mitrales reciben el neurotransmisor glutamato, la señal subsiguiente desencadena la supresión local de RhoA, protegiendo esa dendrita. Al mismo tiempo, la despolarización activa la maquinaria de poda, controlada por RhoA, en las dendritas que no recibieron la entrada de glutamato. La dendrita ganadora se lleva todo.ver más

Crédito: Universidad de Kyushu/Laboratorio Imai

Fukuoka, Japón. Investigadores de la Universidad de Kyushu han descubierto los mecanismos de una fase fundamental pero críticamente subestimada en el desarrollo del cerebro: la poda sináptica.

Usando células mitrales de ratón, un tipo de neurona en el sistema olfativo, el equipo descubrió que cuando las neuronas reciben una señal de neurotransmisor, la dendrita receptora está protegida a través de una serie de vías químicas. Al mismo tiempo, la despolarización provoca que otras dendritas de la misma célula sigan un camino diferente que promueve la poda. Su estudio fue publicado en la revista Developmental Cell.

Cómo se conectan y remodelan las neuronas es una cuestión fundamental en neurobiología. El concepto clave detrás de una red adecuada es que las neuronas formen y fortalezcan la conexión con otras neuronas mientras se eliminan las excesivas e incorrectas.

“Una frase común en la remodelación de circuitos neuronales es 'disparar juntos, conectar juntos' y 'fuera de sincronización, perder el enlace'. El primero describe cómo las neuronas que pasan señales entre sí tienden a fortalecer las conexiones, mientras que el segundo explica que sin dicha señalización esa conexión disminuye", explica el profesor Takeshi Imai de la Facultad de Ciencias Médicas de la Universidad de Kyushu, quien dirigió el estudio. "Es un proceso de refinación que es fundamental para la maduración adecuada del cerebro".

Durante décadas, los investigadores, incluido el profesor Imai, han explorado el proceso fundamental de cómo las neuronas forman y fortalecen sus conexiones. Sin embargo, hubo una brecha importante en el proceso que pocas personas estaban examinando: cómo se eliminan las conexiones.

"La eliminación de las conexiones neuronales, lo que llamamos poda, era algo que todos en el campo conocían y observaban. Pero si miras la literatura, hubo una falta de estudio sobre el mecanismo exacto que impulsó el proceso", explica el primer autor. Satoshi Fujimoto.

La eliminación de conexiones ocurre en todas partes del sistema nervioso, por ejemplo, en las uniones neuromusculares, las neuronas que envían señales a los músculos para que se muevan. Al principio, las fibras musculares reciben información de muchas neuronas motoras. A medida que crece, estas conexiones se afinan, donde algunas se fortalecen y otras se eliminan, hasta que solo una neurona se conecta a una fibra muscular. Es por eso que tiene un control motor y una coordinación incómodos a una edad temprana.

"Decidimos investigar qué sucede exactamente en las neuronas durante la remodelación, por lo que analizamos el uso de células mitrales de ratón, un tipo de célula alojada en el bulbo olfatorio, el centro del cerebro involucrado en nuestro sentido del olfato. En los adultos, las células mitrales tienen un conexión única a una estación de señalización llamada glomérulo. Pero en el desarrollo temprano, las células mitrales envían ramificaciones a muchos glomérulos", afirma Fujimoto. "A medida que pasa el tiempo, estas ramas se podan para dejar una sola conexión fuerte. Al final, las células mitrales solo pueden olfatear un tipo específico de olor".

Primero, el equipo descubrió que las ondas espontáneas del neurotransmisor glutamato en el bulbo olfatorio facilitan la poda de las dendritas. Luego, el equipo se centró en las vías de señalización internas de la célula mitral. Lo que encontraron fue una maquinaria única de protección/castigo que fortalecería ciertas conexiones e iniciaría la poda de otras.

"Descubrimos que en las células mitrales la señalización del glutamato era esencial para la poda. Cuando el glutamato se une a su receptor NMDAR en una dendrita, suprime la molécula de maquinaria de poda llamada RhoA", continúa Fujimoto. "Esta señal de 'sálvame' es importante para protegerlo de la poda".

Tras la entrada de glutamato, la célula mitral también se despolariza y dispara una señal. El equipo también descubrió que la despolarización desencadena la activación de RhoA en otras dendritas de la misma célula e inicia el proceso de poda. En pocas palabras, la dendrita que recibe la señal directa de glutamato está protegida, mientras que las otras dendritas se podan.

"Esta señal de 'castigo' para la eliminación de sinapsis solo actúa en las sinapsis no protegidas, y explica cómo solo una conexión fuerte se convierte en ganadora y todas las demás que median entradas débiles y ruidosas se convierten en perdedoras", explica Imai.

Los hallazgos del equipo revelan nueva información de una fase pasada por alto pero crítica en el desarrollo neuronal.

"La poda adecuada de las conexiones neuronales es tan importante como el fortalecimiento de la red. Si sale mal en cualquier dirección, puede provocar diferentes tipos de trastornos neurofisiológicos. Se han relacionado muy pocas conexiones con la esquizofrenia, mientras que se han encontrado demasiadas. en personas con trastorno del espectro autista, por ejemplo". dice Imai. "Para comprender este tipo de patologías, debemos observar cuidadosamente cada paso del desarrollo".

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Para obtener más información sobre esta investigación, consulte "La protección local dependiente de la actividad y la competencia sináptica del control de la inhibición lateral en el desarrollo de células mitrales en ratones", Satoshi Fujimoto, Marcus N. Leiwe, Shuhei Aihara, Richi Sakaguchi, Yuko Muroyama, Reiko Kobayakawa, Ko Kobayakawa , Tetsuichiro Saito y Takeshi Imai Developmental Cell, https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.05.004

Acerca de la Universidad de Kyushu La Universidad de Kyushu es uno de los principales institutos de educación superior orientados a la investigación de Japón desde su fundación en 1911. Hogar de alrededor de 19 000 estudiantes y 8000 profesores y personal, los centros de investigación de clase mundial de Kyushu U cubren una amplia gama de áreas de estudio y campos de investigación, desde las humanidades y las artes hasta la ingeniería y las ciencias médicas. Sus múltiples campus, incluido uno de los más grandes de Japón, están ubicados alrededor de la ciudad de Fukuoka, una metrópolis costera en la isla de Kyushu, en el suroeste de Japón, que con frecuencia se clasifica entre las ciudades más habitables del mundo e históricamente conocida como la puerta de entrada de Japón a Asia. A través de su Visión 2030, Kyushu U 'Impulsará el cambio social con conocimiento integrador'. Su aplicación sinérgica del conocimiento abarcará toda la academia y resolverá problemas en la sociedad mientras innova nuevos sistemas para un futuro mejor.

Célula de desarrollo

10.1016/j.devcel.2023.05.004

Estudio experimental

animales

La protección local dependiente de la actividad y la competencia sináptica del control de la inhibición lateral en el desarrollo de células mitrales en ratones

7-jun-2023

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