Las células ubicadas en las capas más externas del cerebro humano generan un tipo especial de señal eléctrica que podría otorgarles un impulso adicional de potencia informática, sugiere una investigación reciente. Además, esta señal puede ser exclusiva de los humanos, y puede explicar nuestra inteligencia única, según los autores del estudio.
Las células cerebrales, o neuronas, se unen a través de cables largos y ramificados y mensajes de enlace a lo largo de estos cables para comunicarse entre sí. Cada neurona tiene un cable saliente, llamado axón, y un cable que recibe mensajes entrantes, conocido como dendrita. La dendrita transmite información al resto de la neurona a través de estallidos de actividad eléctrica. Dependiendo de cómo esté conectado el cerebro, cada dendrita puede recibir cientos de miles de señales de otras neuronas a lo largo de su longitud. Si bien los científicos creen que estos picos eléctricos ayudan a conectar el cerebro y pueden ser la base de habilidades como el aprendizaje y la memoria, el papel exacto de las dendritas en la cognición humana sigue siendo un misterio.
Ahora, los investigadores han descubierto un nuevo sabor de pico eléctrico en las dendritas humanas, uno que creen podría permitir que las células realicen cálculos que alguna vez se consideraron demasiado complejos para que una sola neurona los atacara por sí sola. El estudio, publicado el 3 de enero en la revista Science, señala que la nueva propiedad eléctrica nunca se ha observado en ningún tejido animal que no sea humano, lo que plantea la cuestión de si la señal contribuye de forma única a la inteligencia humana, o a la de los primates, nuestro primos evolutivos.
Una extraña señal
Hasta ahora, la mayoría de los estudios de dendrita se han llevado a cabo en tejido de roedores, que comparte propiedades básicas con las células cerebrales humanas, dijo el coautor del estudio Matthew Larkum, profesor del departamento de biología de la Universidad Humboldt de Berlín. Sin embargo, las neuronas humanas miden aproximadamente el doble que las que se encuentran en un ratón, dijo.
"Eso significa que las señales eléctricas tienen que viajar el doble de distancia", dijo Larkum a Live Science. "Si no hubiera cambios en las propiedades eléctricas, eso significaría que, en los humanos, las mismas entradas sinápticas serían un poco menos potentes". En otras palabras, los picos eléctricos recibidos por una dendrita se debilitarían significativamente cuando llegaran al cuerpo celular de la neurona.
Entonces, Larkum y sus colegas se propusieron descubrir las propiedades eléctricas de las neuronas humanas para ver cómo estas dendritas más largas realmente logran enviar señales de manera efectiva.
Esta no fue una tarea fácil.
Primero, los investigadores tuvieron que obtener muestras de tejido cerebral humano, un recurso notoriamente escaso. El equipo terminó usando neuronas que habían sido cortadas del cerebro de pacientes con epilepsia y tumor como parte de su tratamiento médico. El equipo se centró en las neuronas resecadas de la corteza cerebral, el exterior arrugado del cerebro que contiene varias capas distintas. En los humanos, estas capas contienen densas redes de dendritas y se vuelven extremadamente gruesas, un atributo que puede ser "fundamental para lo que nos hace humanos", según un comunicado de Science.
"Obtienes el tejido con poca frecuencia, así que solo tienes que trabajar con lo que tienes delante", dijo Larkum. Y tienes que trabajar rápido, agregó. Fuera del cuerpo humano, las células cerebrales privadas de oxígeno solo permanecen viables durante unos dos días. Para aprovechar al máximo esta ventana de tiempo limitado, Larkum y su equipo recopilarían mediciones de una muestra determinada durante el mayor tiempo posible, a veces trabajando durante 24 horas seguidas.
Durante estos maratones experimentales, el equipo cortó el tejido cerebral en rodajas y abrió agujeros en las dendritas contenidas dentro. Al meter pipetas de vidrio delgadas a través de estos agujeros, los investigadores podrían inyectar iones o partículas cargadas en las dendritas y observar cómo cambiaron en la actividad eléctrica. Como se esperaba, las dendritas estimuladas generaron picos de actividad eléctrica, pero estas señales se veían muy diferentes a las vistas anteriormente.
Cada pico se encendió solo durante un breve período de tiempo, aproximadamente un milisegundo. En el tejido de roedores, este tipo de pico súper corto ocurre cuando una inundación de sodio entra en una dendrita, desencadenada por una acumulación particular de actividad eléctrica. El calcio también puede desencadenar picos en las dendritas de roedores, pero estas señales tienden a durar de 50 a 100 veces más que los picos de sodio, dijo Larkum. Sin embargo, lo que el equipo vio en el tejido humano parecía ser un extraño híbrido de los dos.
"Aunque parecía un evento de sodio, en realidad fue un evento de calcio", dijo Larkum. Los miembros del equipo probaron lo que sucedería si evitaran que el sodio ingresara a sus dendritas de muestra y descubrieron que los picos continuaron disparando sin cesar. Lo que es más, los picos supershort dispararon en rápida sucesión, uno tras otro. Pero cuando los investigadores bloquearon el ingreso de calcio a las neuronas, los picos se detuvieron en seco. Los científicos concluyeron que habían tropezado con una nueva clase de espiga, una de duración similar al sodio pero controlada por calcio.
"Se ven diferentes de lo que hemos conocido hasta ahora de otros mamíferos", dijo Mayank Mehta, profesor en los departamentos de neurología, neurobiología, física y astronomía de la Universidad de California, Los Ángeles, que no participó en el estudio. La gran pregunta es cómo se relacionan estos picos con la función cerebral real, dijo.
Potencias computacionales
Larkum y sus colegas no pudieron probar cómo podrían comportarse sus muestras cortadas en un cerebro humano intacto, por lo que diseñaron un modelo de computadora basado en sus resultados. En el cerebro, las dendritas reciben señales a lo largo de su longitud desde las neuronas cercanas que pueden empujarlas a generar un pico o evitar que lo hagan. Del mismo modo, el equipo diseñó dendritas digitales que pueden ser estimuladas o inhibidas desde miles de puntos diferentes a lo largo de sus longitudes. Históricamente, los estudios sugieren que las dendritas aumentan estas señales opuestas con el tiempo y disparan un pico cuando la cantidad de señales excitadoras supera a las inhibidoras.
Pero las dendritas digitales no se comportaron de esta manera en absoluto.
"Cuando miramos de cerca, pudimos ver que había un fenómeno extraño", dijo Larkum. Cuantas más señales excitadoras recibiera una dendrita, menos probable era que generara un pico. En cambio, cada región en una dendrita dada parecía "sintonizada" para responder a un nivel específico de estimulación, ni más ni menos.
Pero, ¿qué significa esto en términos de la función cerebral real? Significa que las dendritas pueden estar procesando información en todos y cada uno de sus puntos, trabajando como una red unificada para decidir qué información enviar, qué descartar y qué manejar solo, dijo Larkum.
"No parece que la célula solo esté sumando cosas, sino que también está tirando cosas", dijo Mehta a Live Science. (En este caso, las señales de "descarte" serían señales excitadoras que no están sintonizadas adecuadamente al "punto óptimo" de la región dendrítica). Esta superpotencia computacional podría permitir que las dendritas asuman funciones que alguna vez se pensó que eran el trabajo de redes neuronales enteras. ; Por ejemplo, Mehta teoriza que las dendritas individuales podrían incluso codificar recuerdos.
Una vez, los neurocientíficos pensaron que redes enteras de neuronas trabajaron juntas para realizar estos cálculos complejos y decidieron cómo responder como grupo. Ahora, parece que una dendrita individual hace este tipo exacto de cálculo por sí solo.
Puede ser que solo el cerebro humano posea este impresionante poder computacional, pero Larkum dijo que es demasiado pronto para decirlo con certeza. Él y sus colegas quieren buscar este misterioso pico de calcio en roedores, en caso de que se haya pasado por alto en investigaciones anteriores. También espera colaborar en estudios similares en primates para ver si las propiedades eléctricas de las dendritas humanas son similares a las de nuestros parientes evolutivos.
Es muy poco probable que estos picos hagan a los humanos especiales o más inteligentes que otros mamíferos, dijo Mehta. Puede ser que la nueva propiedad eléctrica sea exclusiva de las neuronas L2 / 3 en la corteza cerebral humana, ya que el cerebro de roedor también produce picos específicos en regiones particulares del cerebro, agregó.
En investigaciones anteriores, Mehta descubrió que las dendritas de roedores también generan una amplia variedad de espigas cuya función exacta sigue siendo desconocida. Lo interesante es que solo una fracción de estos picos en realidad desencadenan una reacción en el cuerpo celular al que se conectan, dijo. En las neuronas de roedores, aproximadamente el 90 por ciento de los picos dendríticos no provocan señales eléctricas del cuerpo celular, lo que sugiere que las dendritas tanto en roedores como en humanos pueden estar procesando información de forma independiente, de maneras que aún no entendemos.
Gran parte de nuestra comprensión del aprendizaje y la memoria proviene de la investigación sobre la actividad eléctrica generada en el cuerpo celular de la neurona y su cable de salida, el axón. Pero estos hallazgos sugieren que "puede ser que la mayoría de los picos en el cerebro estén ocurriendo en las dendritas", dijo Mehta. "Esos picos podrían cambiar las reglas de aprendizaje".
Nota del editor: Esta historia se actualizó el 9 de enero para aclarar una declaración del Dr. Mayank Mehta sobre si la nueva señal eléctrica podría ser exclusiva de los humanos.
