El cáliz de Held es una sinapsis particularmente grande en el sistema nervioso central auditivo de los mamíferos , llamado así en honor a Hans Held, quien lo describió por primera vez en su artículo de 1893 Die centrale Gehörleitung [1] [2] debido a su parecido con el cáliz de una flor. [3] Las células globulares y tupidas del núcleo coclear anteroventral (AVCN) [4] envían axones al núcleo medial contralateral del cuerpo trapezoidal (MNTB), donde hacen sinapsis a través de estos cálices en las células principales de MNTB. [5] [6] [7] Estas células principales luego se proyectan a la oliva superior lateral ipsilateral (LSO) , [8] donde inhiben las neuronas postsinápticas y proporcionan una base para la detección del nivel interaural (ILD), necesaria para la localización de sonidos de alta frecuencia. . [9] Esta sinapsis ha sido descrita como la más grande del cerebro. [10]
El bulbo terminal relacionado de Held es también una sinapsis más pequeña terminal de axón grande (15-30 μm de diámetro) que se encuentra en otras estructuras auditivas del tronco encefálico, a saber, el núcleo coclear. [11] Al igual que con los cálices, estas sinapsis promueven una transferencia de información rápida y eficiente.
El cáliz de Held contiene vesículas que contienen glutamato en la terminal presináptica, las vesículas se liberan tras la estimulación (que se originan en el sistema auditivo). Luego, el glutamato se une a dos receptores de glutamato conocidos, los receptores AMPA y NMDA . [12]
Comúnmente utilizado en la investigación debido a su gran tamaño, el cáliz de Held se ha utilizado para comprender una variedad de mecanismos relacionados con el desarrollo y la liberación de vesículas de la sinapsis.
El cáliz de Held es parte del sistema auditivo y conecta las células tupidas globulares (GBC) del núcleo coclear anteroventral con las neuronas principales del núcleo medial del cuerpo trapezoidal (MNTB). Como sinapsis, la función del cáliz de Held es transmitir la señal desde los GBC a las neuronas principales. Las principales neuronas del MNTB son glicinérgicas, lo que hiperpolariza los núcleos del complejo olivar superior (SOC) en las células cercanas y produce efectos inhibidores tonotópicos . [12] Como resultado de su papel en la estimulación de las neuronas principales, la función principal del cáliz de Held es permitir la diferenciación entre la activación temporal de las células ciliadas cocleares que son importantes en la localización del sonido (detección del nivel interaural). [13]
La detección del nivel interaural es posible a través del sistema del cáliz debido al gran tamaño relativo de los GBC, el cáliz de Held y las neuronas principales. Las neuronas del Olivo Superior Lateral son especialmente importantes para discernir estos cambios de nivel interaural. El gran diámetro de los axones de las células tupidas permite que la señal inhibidora producida por las neuronas MNTB alcance el SOC aproximadamente 0,2 ms después de la excitación coclear inicial . Esta medición de tiempo de ~0,2 milisegundos es importante para comparar la estimulación contralateral (lado opuesto) e ipsilateral (mismo lado) necesaria en la localización del sonido en el plano horizontal, y es clave para distinguir la ubicación de los sonidos de baja frecuencia. [12]
Para cada neurona principal hay un cáliz, y para la mayoría de los axones del GBC solo hay un cáliz, aunque existen excepciones a este emparejamiento. [1] Esto en general crea una proporción de uno a uno entre los GBC, los cálices de Held y las neuronas principales. El cáliz de Held engloba la neurona principal con una morfología distinta: la ramificación del cáliz permite la creación de redes de segundo y tercer orden. Cada rama establece una conexión con la neurona principal, estableciendo un gran número de zonas activas. Esto es inusual para las terminales sinápticas del cerebro, ya que la mayoría crea una única zona activa. [14] Cada cáliz contiene entre 300 y 700 zonas activas, y en cada una de las zonas activas hay aproximadamente 100 vesículas que contienen glutamato con aproximadamente 3 vesículas acopladas a la vez. Estas vesículas son grandes, lo que coincide con los hallazgos sobre el tamaño cuántico en otras sinapsis de adultos. También están presentes vesículas de núcleo denso, que generalmente contienen neuropéptidos , pero se necesita más investigación para determinar su contenido y función. [15]
Para mantener la estructura de la sinapsis, como ocurre con otras sinapsis, existen muchos microtúbulos . El cáliz tiene una gran cantidad de microtúbulos en la base del terminal. Estos microtúbulos llevan a cabo una variedad de funciones, como proporcionar estabilidad a la sinapsis, restringir la distribución de las vesículas sinápticas y localizar las mitocondrias . Las mitocondrias tienen tres funciones importantes en la terminal sináptica: permitir que la sinapsis satisfaga las necesidades metabólicas (especialmente para la eliminación de calcio después de la despolarización ), amortiguar el calcio al permitir la absorción de calcio en las mitocondrias y proporcionar energía para la síntesis de glutamato. [12]
Varias células gliales también están asociadas con el cáliz de Held. Dos tipos de células gliales rodean el cáliz: los astrocitos y las células gliales NG 2 . Los astrocitos expresan transportadores de glutamato para eliminar el glutamato de la sinapsis. Este es el único mecanismo conocido para la eliminación del glutamato de la sinapsis. Las células gliales NG 2 expresan receptores AMPA. [12]
En el segundo día postnatal (P2), se forma el cáliz de Held de rata inmadura, que se distingue fácilmente por su característica morfología de cuchara sellada . [12] Los contactos sinápticos primarios que forman el cáliz se ensamblan entre las neuronas del MNTB (núcleo medial del cuerpo trapezoide) y el VCN (nervio coclear ventral), y finalmente se conectan entre sí proyectándose a través de la línea media de las dos áreas. Estas asociaciones comienzan a aparecer inmediatamente después de que se hayan generado las neuronas VCN; se puede observar la formación más temprana de estos contactos alrededor del día embrionario 17 (E17). Estas conexiones neuronales, que constituyen una zona importante de la cóclea, forman ramas entre sí que terminan en el cáliz de Held. En el transcurso de las siguientes dos o tres semanas, los contactos neuronales que formaron por primera vez el cáliz embrionario evolucionan en forma y función, culminando en un cáliz maduro que facilita la propagación rápida y constante de señales en el área MNTB-VCN. [14]
Unos pocos procesos seleccionados ocurren durante el desarrollo neuronal temprano para garantizar la formación adecuada del cáliz, específicamente a través de la influencia del factor de crecimiento fibroblástico (FGF), el factor de transcripción Math5, la molécula de reconocimiento de células neurales NB-2 y las proteínas efrina (Eph) en las células. Math1/Math5 y FGF son dos reguladores esenciales para el crecimiento y desarrollo adecuados del complejo del núcleo coclear , que comprende tanto el núcleo coclear ventral (VCN) como el núcleo coclear dorsal (DCN). Unos niveles suficientes de FGF garantizan una morfología adecuada de los núcleos cocleares, mientras que Math5 asegura el tamaño y el procesamiento correctos del núcleo coclear. Math1, otro factor de transcripción, es necesario para la aparición de neuronas VCN en la corriente extramural coclear, así como de las neuronas del complejo olivar superior . NB-2 también ayuda al avance de la formación del cáliz de Held, además de contribuir al mantenimiento del MNTB contralateral. Los efectos combinados de estas tres moléculas entre sí ilustran el hecho de que existen muchas familias de proteínas involucradas en la señalización y formación adecuadas del cáliz. [14]
Además, las proteínas Eph son fundamentales para un mayor desarrollo del sistema del circuito auditivo después de la formación inicial del cáliz embrionario. Una característica que distingue a las proteínas Eph y sus receptores de otros sistemas de señalización es su capacidad para transmitir información de forma bidireccional. La señalización directa e inversa en las células VCN y MNTB es esencial para el número y la formación adecuados de las proyecciones VCN y MNTB ipsilaterales en el cáliz. Las proteínas Eph también aseguran que mientras los axones pasan a través del MNTB ipsilateral, la ramificación y la terminación final de estas proyecciones solo ocurran en el MNTB contralateral, posiblemente porque las proteínas solo están dirigidas a regiones específicas de los axones. [14]
En general, se producen dos cambios ultraestructurales en el cáliz de Held. La primera es que en la segunda semana de desarrollo aumenta la mielinización de los axones VCN en el MNTB. Este crecimiento destacado de la mielina corresponde al desarrollo cronológico del circuito de señalización y adaptación del cáliz. El segundo cambio ultraestructural involucra a las neuronas principales de los MNTB, cuyos cuerpos celulares y núcleos aumentan en superficie debido al agrandamiento. Este es un resultado directo de la división de densidades postsinápticas individuales más grandes en densidades múltiples más pequeñas. [14]
Los canales de potasio son vitales para conducir el potencial de acción presináptico . El cáliz contiene varios tipos de canales de potasio, cada uno de los cuales difiere en ubicación y sensibilidad. Tanto los canales de K + de umbral bajo como los canales de K + de tipo rectificador retardado de umbral alto están presentes en las neuronas presinápticas. [15] Hay cuatro canales K + de umbral bajo presentes: K v 1.1, K v 1.2, K v 1.3 y K v 7.5. K v 1.1 y K v 1.2 se ubican en la zona de transición entre el axón y el terminal, mientras que K v 1.3 y K v 7.5 se ubican en el cáliz. [15] Hay un canal de potasio activado por calcio expresado en el cáliz, sin embargo, este tipo de canal no contribuye a la liberación de neurotransmisores. [12]
En el lapso de una semana, los ratones (P7 a P14) mostraron que la densidad de los canales de umbral bajo K v 1 y K v 3 aumenta, lo que a su vez afecta la cinética de los canales. [15]
Los cambios en los canales de sodio durante la maduración permiten una mayor velocidad del potencial de acción presináptico. Aquí, los potenciales de acción se vuelven más rápidos debido a la capacidad de los canales de sodio para recuperarse más rápidamente después de la conducción . La evidencia muestra que la expresión en la subunidad alfa de Na V 1.6 , un tipo específico de canal de sodio, es responsable del aumento de la velocidad de transmisión. Se sabe que Na V 1.2 , otro canal de sodio expresado en los axones y nodos, exhibe una cinética más lenta. [14]
Para compensar la mielinización (aumento de la capacitancia ), el último nodo que conduce al cáliz (el área entre la vaina de mielina) antes del terminal del axón contiene una alta densidad de canales de Na + para permitir una gran afluencia (hacia adentro). flujo) de sodio para activar los canales de calcio dependientes de voltaje para que se abran en la terminal presináptica, provocando una entrada de calcio.
En los cálices inmaduros de Held, los iones de calcio (Ca 2+ ) ingresan a las neuronas MNTB a través de canales de Ca 2+ de tipo N- , P/Q- y R ; sin embargo, en los cálices maduros, el influjo de Ca 2+ ocurre principalmente a través de P/Q-. tipo de canales. [14] Los receptores de Ca 2+ tipo N y R son menos propensos a desencadenar la liberación de vesículas, ya que estos tipos de receptores están más lejos de los sitios de liberación. Por lo tanto, los iones de calcio que ingresan a los canales de tipo N y R aumentan la concentración de iones de calcio en áreas de menor importancia para la función del cáliz.
El bloqueo de los canales de Ca 2+ puede ocurrir mediante el uso de receptores acoplados a proteína G , activados por los siguientes neurotransmisores: [12]
Se producen cambios en los canales iónicos para fomentar una transmisión más rápida: [12]
Aparte del receptor de glutamato, sólo se han encontrado algunos otros canales activados por ligando en los cálices inmaduros de Held: el ionotrópico GABA A y el receptor de glicina . Estos receptores permiten que el cloruro (Cl − ) fluya a través de la membrana y, debido a la alta concentración de cloruro en la terminal, estos receptores se despolarizan. [12]
Entre la segunda y tercera semana posnatal, alrededor del momento del inicio de la audición, el cáliz de Held desarrolla su aspecto característico, muy fenestrado (con muchas aberturas). [14] La fenestración da como resultado que la membrana se reduzca a numerosos compartimentos pequeños, lo que aumenta la relación superficie-volumen del cáliz de Held. A medida que la membrana se comprime cada vez más en estas estructuras en forma de bulbo, las vesículas sinápticas se agrupan aún más en estos espacios, lo que da como resultado un mayor número de vesículas acopladas. [12]
Para compensar los espacios disponibles en el cáliz, se utilizan células gliales con receptores y transportes de glutamato para llenar los espacios abiertos, asegurando una absorción eficiente de glutamato en la sinapsis.
Como sinapsis, el cáliz de Held sigue un mecanismo similar al de otras sinapsis. Puede encontrar una descripción detallada en neurotransmisión .
La entrada de calcio al cáliz inmaduro de Held está mediada por canales de calcio de tipo N , P / Q y R ; sin embargo, tras la maduración, sólo los canales de calcio de tipo P/Q se vuelven dominantes. [14] Tras la entrada de calcio, el cáliz inmaduro de Held es altamente reactivo debido a su pequeña capacidad de amortiguación de calcio; esto provoca la liberación de glutamato incluso con niveles bajos de entrada de calcio. Dentro de la terminal, como ocurre con otras sinapsis, dos iones de calcio se unen a la sinaptotagmina para desencadenar la liberación de vesículas; en el caso de los cálices de Held, el glutamato se libera en las vesículas. Además de la liberación de vesículas, los iones de calcio indican al terminal del cáliz que regrese al estado inactivo. Tras la entrada de calcio, se fosforila una proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc (CREB) , alterando las concentraciones de potasio dentro de la célula para devolver el terminal a un estado inactivo. [14] La eliminación del calcio se realiza mediante varios métodos, entre los que se incluyen: su eliminación del terminal, su incorporación a las mitocondrias o su unión a proteínas fijadoras de calcio, como la parvalbúmina y la calretinina . [12]
La señalización retrógrada es necesaria en el cáliz de Held para regular los niveles de calcio dentro de la terminal presináptica. La activación de los receptores metabotrópicos de glutamato (mGluR) activa un mensajero secundario de proteína G que interactúa con los canales de calcio de tipo P/Q para disminuir la conductancia. Además, aumenta el tamaño del conjunto de vesículas y disminuye la probabilidad de liberación. Otros métodos de inhibición presináptica incluyen noradrenalina, serotonina y adenosina; estos métodos solo se observan en cálices inmaduros de Held. [14]
Los receptores de glutamato están presentes en la terminal postsináptica; los dos tipos incluyen receptores ionotrópicos AMPA y NMDA . Como neurotransmisor excitador, el glutamato casi siempre provoca que se desencadene un potencial de acción en el lado postsináptico, favorecido aún más por el bajo nivel de sodio interno de las neuronas principales. [12] En el cáliz maduro, los receptores AMPA se concentran en la neurona principal para localizar la transmisión y lograr una mayor probabilidad de potencial de acción. También tenga en cuenta que las contribuciones de los receptores de glutamato de tipo NMDA disminuyen después del inicio de la audición. [12]
El mecanismo detrás de la endocitosis de las vesículas sinápticas cambia a medida que el cáliz madura. La calmodulina y la calcineurina en su forma activa son necesarias para la endocitosis de vesículas en un cáliz inmaduro; sin embargo, en el cáliz maduro no son necesarias ni la calmodulina ni la calcineurina. Más bien, el proceso está mediado por la energía creada por la hidrólisis del GTP. [14] Para cargar el glutamato en las vesículas en el terminal se utilizan dos proteínas: el transportador vesicular de glutamato 1 (VGLUT1) y VGLUT2.
Los canales de potasio de alto umbral en la membrana postsináptica permiten una rápida repolarización de la neurona diana. Los canales de potasio de umbral bajo de la neurona postsináptica reducen la excitabilidad de la neurona para restringir su activación sólo a las entradas sinápticas más grandes. [12]
El cáliz de Held se ha convertido en un sistema modelo popular dentro del campo de la neurobiología. La presencia de esta sinapsis en el sistema nervioso de los mamíferos ha permitido la investigación directa dentro de un modelo de mamífero y su gran tamaño aumenta la facilidad del registro electrofisiológico . Por estas razones, ha sido popular para comprender la liberación del transmisor.
Específicamente, el cáliz de Held se utiliza debido a: [12]
