El ruido sináptico se refiere al bombardeo constante de actividad sináptica en las neuronas . Esto ocurre en el fondo de una célula cuando se producen potenciales sin la estimulación nerviosa de un potencial de acción y se debe a la naturaleza inherentemente aleatoria de las sinapsis. Estos potenciales aleatorios tienen cursos temporales similares a los potenciales postsinápticos excitatorios (PSPE) y los potenciales postsinápticos inhibidores (PSPI), pero conducen a respuestas neuronales variables. La variabilidad se debe a las diferencias en los tiempos de descarga de los potenciales de acción. [1]
Existen muchos tipos de ruido en las células. En primer lugar, existe el ruido intrínseco y el ruido extrínseco o sináptico. Dentro de cada categoría hay dos divisiones más de ruido: ruido de voltaje o ruido temporal. El ruido de voltaje intrínseco se debe a cambios aleatorios en el potencial de membrana de una célula, y el ruido temporal intrínseco es causado por variaciones en el tiempo de generación de picos. Las siguientes secciones explican las causas del ruido sináptico.
Tanto el voltaje sináptico como el ruido temporal se deben a la probabilidad asociada con la liberación del transmisor. [2] En un potencial de acción, los canales de calcio se abren por despolarización y liberan iones Ca 2+ en la célula presináptica. Esto hace que los neurotransmisores, que se almacenan en vesículas, se liberen en la sinapsis. Las vesículas se liberan en cuantos, paquetes que contienen aproximadamente 7000 moléculas de transmisores. A la probabilidad de que se liberen cuantos se le asigna una probabilidad que aumenta cuando el potencial de acción llega a las terminales sinápticas y disminuye progresivamente hasta un valor inferior, en reposo. Por lo tanto, la incertidumbre involucrada en el momento exacto de la liberación del neurotransmisor es una causa del ruido temporal sináptico. Además, la fuerza de la respuesta postsináptica varía en función del número de cuantos liberados. La liberación de cuantos da como resultado una fuerza y un momento inconsistentes de una respuesta, y esto es causa del ruido de voltaje sináptico.
Otra causa de ruido se debe a la exocitosis de neurotransmisores desde las terminales sinápticas que proporcionan información a una neurona determinada. [2] Este fenómeno ocurre en segundo plano mientras una célula se encuentra en un potencial de membrana en reposo . Como ocurre en segundo plano, la liberación no se debe a una señal, sino que es aleatoria. Esta imprevisibilidad aumenta el nivel de ruido sináptico.
El ruido sináptico se presenta como una corriente postsináptica en miniatura, que se observa sin ninguna entrada presináptica. Estas corrientes espontáneas se deben a vesículas de neurotransmisores liberadas aleatoriamente. Esto es causado por la "apertura estocástica de los depósitos intracelulares de Ca 2+ , el ruido del canal de Ca 2+ sináptico , la activación espontánea de la vía de liberación de vesículas o la fusión espontánea de una vesícula con la membrana". [3]
La termodinámica afecta a la percepción química, como la del gusto y el olfato, que dependen de un estímulo químico externo . Las moléculas químicas llegan al receptor apropiado en momentos aleatorios según la velocidad de difusión de estas partículas. Además, los receptores no pueden contar con exactitud la cantidad de moléculas de señalización que pasan a través de ellos. Estos dos factores son causas adicionales del ruido sináptico. [3]
El sistema nervioso central (SNC) maneja el ruido de dos maneras: mediante promedios y mediante conocimiento previo.
El promediado se produce cuando se proporciona información redundante a una entrada sensorial o generada por el propio sistema nervioso central. Cuando varias unidades de procesamiento celular transmiten la misma señal pero se ven afectadas por diferentes fuentes de ruido, el promediado puede contrarrestar el ruido. Esto se puede observar cuando las entradas sensoriales se acoplan para trabajar juntas o se superponen, de modo que pueden tomar un promedio de las señales entrantes y los estímulos aleatorios. [3]
El promediado también se observa en sinapsis divergentes, donde una señal proporciona información a muchas neuronas. Puede ser ventajoso enviar una señal varias veces a través de muchos axones y combinar la información al final, en lugar de enviar la señal una vez a través de una única neurona larga y ruidosa. [3] Esto significa que para que se preserve la fidelidad de la señal, la señal inicial debe ser confiable. En el destino final, las señales se promedian y el ruido se puede compensar.
El conocimiento previo también se utiliza cuando se enfrenta al ruido. [3] En las neuronas sensoriales que reciben señales redundantes y estructuradas, el procesamiento sensorial puede diferenciar la señal del ruido. Este fenómeno se conoce como el principio del filtro adaptado , por el cual una neurona puede utilizar la experiencia previa sobre una entrada esperada para distinguir el ruido de la señal real y, en consecuencia, reducir el impacto del ruido.
La importancia del ruido sináptico se ha hecho evidente a través de la investigación continua del cerebro, específicamente del hipocampo . El hipocampo es una región del prosencéfalo en el lóbulo temporal medial estrechamente asociada con la formación de la memoria y el recuerdo. Las oscilaciones gamma y theta , liberadas durante las actividades exploratorias, crean ritmos modulados que se transforman en excitación prolongada y, además, en recuerdos o potenciación inadecuada. [4] Estas oscilaciones pueden estar parcialmente compuestas de corrientes sinápticas o ruido sináptico. Hay evidencia reciente que respalda el papel del ruido sináptico en las funciones de señalización dentro del hipocampo y, por lo tanto, en los recuerdos, ya sea solidificándose o interfiriendo. [4]
Este enfoque depende en gran medida de la resonancia estocástica. A partir de una notable investigación de Stacey y Durand, se ha atribuido al ruido sináptico la capacidad de detectar mejor las entradas sinápticas débiles o distales dentro del hipocampo. Utilizando un modelo informático, se simularon corrientes subumbral en la región CA3 que se correlacionaban directamente con una mayor actividad del potencial de acción CA1 cuando se introducían pequeñas corrientes. [5] Este es un ejemplo de un fenómeno natural comúnmente excluido que amortigua señales importantes que ahora se puede estudiar y utilizar con fines terapéuticos para ayudar a la plasticidad neuronal.
Las lesiones comunes en la región del hipocampo pueden provocar esquizofrenia , epilepsia , Parkinson y Alzheimer . El ruido sináptico puede ser parte del desarrollo de estas enfermedades, sin embargo, no se han realizado suficientes investigaciones al respecto. Una posible relevancia es la incapacidad del ruido sináptico para ajustar o regular la suma adecuada en un mensaje. Si las señales débiles no se pueden mejorar con el ruido existente, la plasticidad sináptica se ve comprometida y la memoria y la personalidad se verán afectadas. [6] La investigación de Stacey y Durand ayudó a dar forma a esta nueva dirección en el análisis y desarrollo farmacéutico para combatir las enfermedades del hipocampo. [7]
Las señales y el ruido en los receptores sensoriales , que permiten a los organismos codificar información en función de sus sentidos, establecen un límite a una determinada sensación. A menudo es necesario amplificar una señal débil para que sea útil. Para que la amplificación sea útil, la señal en la sinapsis debe ser más intensa que el ruido.
Por ejemplo, se necesita amplificación cuando un único fotón de luz incide en un fotorreceptor de bastón en la retina de un ojo. La amplificación permite que el pequeño estímulo supere el ruido que es una característica inherente de la célula. Sin embargo, al aumentar el estímulo también aumenta el ruido. Este fenómeno ha llevado a la pregunta de cómo los receptores sensoriales pueden reducir el ruido sináptico de manera efectiva mientras amplifican la señal para alcanzar el umbral. [8]
La sensibilidad de una neurona aumenta cuando se recopila e integra información de muchos receptores, un fenómeno denominado agrupamiento. Si bien esto permite que una célula se concentre predominantemente en las acciones que están directamente relacionadas con el estímulo, también combina el ruido, lo que aumenta la cantidad total de ruido presente en el sistema.
La eficiencia de una neurona sensorial puede aumentar aún más si se elimina el ruido lo antes posible antes de que se produzca la acumulación, mediante un filtrado lineal. La eliminación del ruido al principio es crucial porque una vez que se combinan una señal y un ruido con tiempos similares, es más difícil separarlos. El filtrado lineal implica la eliminación del ruido con frecuencias temporales que no están asociadas con una respuesta de estímulo determinada. Esto elimina los eventos que son más lentos que la respuesta o que no están relacionados con el receptor en cuestión. [8]
El ruido en las neuronas se debe a fuentes intrínsecas y extrínsecas. Puede interrumpir la actividad e interferir con la capacidad de una neurona para codificar una señal. El ruido se observa como cambios en el potencial de membrana de una célula. El cambio en el potencial hace que la precisión de una neurona sea limitada en su transmisión. [9] Esta transmisión limitada se ha denominado relación señal-ruido . A medida que aumentan los niveles de ruido, se asumiría una relación menor y, por lo tanto, señales disminuidas. Una señal disminuida puede ser perjudicial para una célula si se interrumpe el mantenimiento neuronal o, lo que es más importante, se pierde una respuesta inhibidora necesaria. [10] El ruido limita la fidelidad de la respuesta de una neurona a una señal o estímulo. La precisión de la señal afectará la capacidad de las partes superiores del cerebro o del sistema sensorial para procesar la información de las neuronas. [11]
La resonancia estocástica es el término que se da a una instancia en la que el ruido sináptico ayuda, en lugar de perjudicar, la detección de señales. Con la resonancia estocástica, el ruido sináptico puede amplificar el reconocimiento de señales que están por debajo del potencial umbral en sistemas no lineales de detección de umbral. Esto es importante en células que reciben e integran miles de entradas sinápticas. Estas células a menudo pueden requerir que se produzcan numerosos eventos sinápticos al mismo tiempo para producir un potencial de acción, por lo que el potencial de recibir señales subumbral es alto. [12] Las señales de las neuronas que integran la actividad de varias neuronas, cuando se toman en conjunto, pueden formar un estímulo de imagen completo.
El ruido también permite que las neuronas detecten señales visuales débiles al procesar el nivel de contraste de la imagen. [13]
Otro uso positivo del ruido sináptico es la utilización de ruido congelado. El ruido congelado se refiere a pulsos de corriente aleatorios de amplitudes variables que se aplican a la entrada de corriente constante y luego se mantiene este patrón para que pueda usarse para observar diferencias en otros factores. El ruido congelado permite a los investigadores revelar si parte de la respuesta de una neurona depende o no de un estímulo dado porque las otras condiciones de interferencia se mantienen constantes. [14]
El ruido sináptico se ha asociado con oscilaciones de alta frecuencia (HFO) dentro del cerebro. Las HFO son imprescindibles para el funcionamiento normal del cerebro, y la investigación ha demostrado que el ruido sináptico puede ser un posible iniciador de las HFO. Las HFO entre 60 y 70 Hz se han registrado como actividad normal dentro del cerebro mediante registros de EEG ( electroencefalografía ), sin embargo, las frecuencias dentro de los rangos de 100 a 200 Hz, también llamadas ondulaciones, se han asociado con la epilepsia . Sin embargo, las ondulaciones no son completamente anormales ni regulares. "Las ondulaciones se han utilizado para describir tanto la actividad anormal asociada con las ondas agudas epileptiformes como los comportamientos normales, como las ondas agudas fisiológicas y la consolidación de la memoria". [15]
El ruido sináptico no sólo es causado por la señalización masiva de los impulsos neuronales circundantes, sino también por la señalización directa dentro de la propia neurona. Durante los episodios de epilepsia, los impulsos disparados son de mayor magnitud y frecuencia de lo normal. La señalización transitoria, o más específicamente el ruido, puede acortar el potencial de reposo para permitir una activación neuronal más rápida. [12]
También hay evidencia que apoya el hecho de que la epilepsia puede ser una causa del ruido sináptico. Durante una crisis epiléptica, se producen explosiones terciarias de potencial de acción a través de las neuronas del cerebro. Las neuronas se activan aleatoriamente y rápidamente creando el efecto convulsivo que el paciente exhibe durante la crisis. Antes de estas explosiones, hay un aumento en las concentraciones extracelulares de potasio de las neuronas. "Se espera que el potasio aumente durante las descargas epilépticas, y tenemos evidencia preliminar de cortes ventrales expuestos a bicuculina de que el potasio aumenta a un valor umbral de ~9 mM justo antes del inicio de las explosiones terciarias". [16] Las concentraciones aumentadas de potasio fuera de la neurona pueden aumentar la excitabilidad terminal, causando la posible activación del potencial de acción, lo que conduce al ruido sináptico.
Se cree que, si primero se comprende el ruido del canal, se podría llegar a entender mejor el ruido sináptico. [17] El ruido del canal es la variabilidad de las respuestas neuronales que se genera por la activación aleatoria de canales iónicos controlados por voltaje, como los de potasio o sodio, componentes vitales de un potencial de acción. Se propone esta necesidad previa porque tanto el ruido del canal como el ruido sináptico limitan la fiabilidad de la capacidad de respuesta a los estímulos en las neuronas, además de que ambos dependen del voltaje.
Para entender el futuro de la investigación sobre el ruido sináptico, sería esencial analizar el trabajo de Alain Destexhe, un médico belga que ha estudiado en profundidad la importancia del ruido sináptico en las conexiones neuronales. Utiliza la técnica de pinza dinámica para comprender la presencia y las características del ruido. Mientras que las pinzas dependientes del voltaje registran las configuraciones, la pinza dinámica permite controlar la conductancia mediante ordenador. Se crea un modelo computacional del ruido sináptico y luego se implementa en la neurona, simulando el ruido sináptico. [18] Esto se puede utilizar para comparar con las condiciones in vivo. Destexhe afirma que la investigación futura se puede dirigir hacia cuatro posibles caminos, en reflejo de su investigación con la pinza dinámica. En primer lugar, podría ser beneficioso comprender el control del ruido sináptico para que la modulación del ruido se pueda utilizar en humanos para convertir las redes que no responden en un estado de respuesta. A continuación, sería necesario comprender mejor cómo interactúa el ruido externo con las propiedades neuronales internas para hacer coincidir los modelos con los hechos experimentales. También existe la necesidad de investigar más experimentalmente los métodos de integración dendrítica y el papel del ruido sináptico cuando está presente. Finalmente, encontró evidencia de que el ruido sináptico mejora la resolución temporal en las neuronas, pero no se han realizado pruebas experimentales para profundizar más en los estudios de modelado anteriores. [19] Mediante el uso de la fijación dinámica, estos datos aclaran el papel del ruido sináptico en el cerebro y cómo se puede aprovechar para terapias específicas.
Se necesita más información para entender el papel que desempeña el ruido en la esquizofrenia. Sin embargo, los esquizofrénicos y sus hermanos que no padecen esquizofrenia parecen tener un mayor nivel de ruido en sus circuitos de procesamiento de información de la corteza prefrontal. [10] Las anomalías en la corteza prefrontal podrían causar algunos de los síntomas asociados con la esquizofrenia, como alucinaciones auditivas, estados delirantes e impactos en la memoria de trabajo. Saber cómo afecta el ruido a la señalización en esta área del cerebro, por ejemplo, no poder distinguir el ruido de una señal, podría proporcionar más información sobre por qué ocurren estas anomalías.
La resonancia magnética funcional (fMRI) se ve afectada por el ruido. [20] El ruido presente durante la exploración puede afectar la integridad de una imagen al introducir un aspecto de incertidumbre a través del ruido. Se necesita más investigación para saber si este ruido es específicamente ruido sináptico o uno de los otros tipos. Además, para que la fMRI sea más útil y confiable, es necesario investigar sobre el ruido y las formas de atenuarlo.