Las células de Mauthner son un par de neuronas grandes y fácilmente identificables (una para cada mitad del cuerpo) ubicadas en el rombómero 4 del rombencéfalo en peces y anfibios y que son responsables de un reflejo de escape muy rápido (en la mayoría de los animales, un la llamada respuesta C-start). Las células también destacan por su uso inusual de sinapsis tanto químicas como eléctricas . [1]
Las células de Mauthner aparecen por primera vez en las lampreas (ausentes en mixinos y lancetas ), [2] y están presentes en prácticamente todos los peces teleósteos , así como en anfibios (incluidas ranas y sapos posmetamórficos [3] ). Sin embargo , algunos peces, como los chupagrumos , parecen haber perdido las células de Mauthner. [4]
Un C-start es un tipo de reflejo de escape o sobresalto muy rápido que emplean peces y anfibios (incluidas las larvas de ranas y sapos). Hay dos etapas secuenciales en el inicio C: primero, la cabeza gira alrededor del centro de masa hacia la dirección del futuro escape, y el cuerpo del animal exhibe una curvatura que se asemeja a una letra C; luego, en la segunda etapa, el animal es impulsado hacia adelante. [5] La duración de estas etapas varía de una especie a otra de aproximadamente 10 a 20 ms para la primera etapa, y de 20 a 30 ms para la segunda. [1] [4] En los peces, esta propulsión hacia adelante no requiere la contracción del músculo antagonista , sino que resulta de la rigidez del cuerpo y la resistencia hidrodinámica de la cola . Cuando se produce una contracción muscular antagonista durante la etapa 2, el pez gira en la dirección opuesta, produciendo un contragiro y un cambio de dirección.
En los casos en que un estímulo acústico , táctil o visual abrupto provoca un potencial de acción único en una célula M, siempre se correlaciona con un escape de inicio C contralateral . [6] Un circuito inhibidor de retroalimentación mutua extremadamente rápido asegura que solo una célula M alcance el umbral de pico (ya que el inicio C tiene que ser unilateral por definición) y que solo se active un potencial de acción. [1]
El reflejo C-start mediado por células de Mauthner es muy rápido, con una latencia de aproximadamente 5 a 10 ms entre el estímulo acústico/táctil y la descarga de las células de Mauthner, y sólo aproximadamente 2 ms entre la descarga y la contracción muscular unilateral. [1] [6] Las células de Mauthner son, por tanto, la neurona motora más rápida en responder al estímulo. Hace que la respuesta C-start sea importante desde el punto de vista conductual como una forma de iniciar el reflejo de escape en forma de todo o nada , mientras que la dirección y la velocidad del escape pueden corregirse más tarde mediante la actividad de neuronas motoras más pequeñas.
En las larvas de pez cebra, alrededor del 60% de la población total de neuronas reticuloespinales también se activan mediante un estímulo que provoca el escape del pico M y del inicio C. Un grupo bien estudiado de estas neuronas reticuloespinales son los homólogos de células M emparejados bilateralmente denominados MiD2cm y MiD3cm. Estas neuronas exhiben similitudes morfológicas con las células M, incluida una dendrita lateral y ventral. Están ubicados en los rombómeros 5 y 6 del rombencéfalo respectivamente y también reciben información auditiva en paralelo con la célula M del nervio pVIII . En los peces, los estímulos de los chorros de agua que activan estas neuronas provocan inicios C no iniciados por Mauthner de una latencia más larga, en comparación con los asociados a células M.
Aunque la célula M a menudo se considera el prototipo de una neurona de mando en los vertebrados , esta designación puede no estar totalmente justificada. Aunque la estimulación eléctrica de la célula M es suficiente para provocar un inicio C, este inicio C es normalmente más débil que el evocado por un estímulo sensorial. [7] Además, el inicio C puede evocarse incluso con la ablación de las células M , aunque en este caso la latencia de la respuesta aumenta. [8] El modelo más ampliamente aceptado del sistema de células M, o red de escape del tronco encefálico, es que la célula M inicia un patrón de acción fijo hacia la izquierda o hacia la derecha activando un circuito motor espinal descrito inicialmente por J. Diamond y sus colegas. , pero la trayectoria precisa del escape está codificada por la actividad de la población en las otras clases de neuronas reticuloespinales que funcionan en paralelo a la célula M. Esta idea está respaldada por estudios que utilizan imágenes de calcio in vivo en larvas de pez cebra que muestran que MiD2cm y MiD3cm se activan junto con la célula M cuando un estímulo ofensivo se dirige hacia la cabeza pero no hacia la cola, y se correlacionan con los inicios C de un ángulo de giro inicial mayor.
Otro componente de la respuesta de escape está mediado por neuronas de relevo craneales que se activan por el pico de células de Mauthner. Estas neuronas están acopladas eléctricamente con motoneuronas que inervan los músculos extraoculares, de la mandíbula y operculares y median la aducción de la aleta pectoral en el pez hacha . [9] [10] Este componente del circuito neuronal fue descrito por primera vez por Michael VL Bennett y sus colegas.
Las células de Mauthner pueden estar involucradas en patrones de comportamiento distintos del C-start, si estos tipos de comportamiento también requieren un movimiento de flexión extremadamente rápido del cuerpo. Así, en los peces de colores las células de Mauthner se activan durante la captura de presas cerca de la superficie del agua, ya que este tipo de caza es peligrosa para los peces y sería beneficioso abandonar la superficie lo antes posible después de capturar la presa. [11]
En los anuros adultos postmetamórficos (ranas y sapos) que no tienen cola, las células M se conservan [3] y sus descargas se asocian con un movimiento rápido de las patas durante una fuga. [12] Además, las larvas de lamprea (peces sin mandíbula parecidos a anguilas de la superclase Cyclostomata) exhiben un comportamiento de abstinencia rápido que se correlaciona con la actividad de las células de Mauthner e implica contracciones musculares bilaterales, dependientes de la postura, a lo largo del cuerpo. [13] Las larvas de lampreas (ammocoetes) se alimentan por filtración y ocupan madrigueras en forma de media luna en los fondos de limo o lodo de los lechos de los arroyos de agua dulce, con sus bocas colocadas en la superficie del lodo o justo encima de ella. Una vibración repentina activa ambas neuronas de Mauthner en el tronco del encéfalo de la lamprea, lo que provoca una contracción muscular similar a un acordeón en el tronco y la cola y empuja la cabeza hacia la madriguera.
La célula M tiene dos dendritas primarias aspinosas (que carecen de espinas dendríticas ) que reciben entradas segregadas de varias partes del sistema neuronal. [1] Una dendrita se proyecta lateralmente y la otra se proyecta en dirección ventral o medial, según la especie. [14]
La dendrita ventral recibe información del techo óptico [15] y la médula espinal [16], mientras que la dendrita lateral recibe información de los sistemas octovolaterales (la línea lateral , información acústica del oído interno e información inercial de los estatolitos traída por el cráneo). nervio VIII ). [1]
Las fibras del VIII par craneal ipsilateral terminan en sinapsis glutamatérgicas y eléctricas mixtas excitadoras en la célula M. También activan eléctricamente interneuronas inhibidoras glicinérgicas que terminan en las células M. A pesar de que la entrada inhibidora tiene una sinapsis más en su camino, no hay retraso entre la excitación y la inhibición porque la sinapsis intermedia es eléctrica. Se demostró que, en el caso de estímulos débiles, la inhibición vence a la excitación, impidiendo la descarga de las células M, mientras que, en el caso de estímulos más fuertes, la excitación se vuelve dominante. [17] Las aferencias del oído interno también terminan con sinapsis eléctricas en una población de interneuronas inhibidoras de PHP (ver más abajo) para proporcionar un nivel adicional de inhibición de retroalimentación. La célula de Mauthner también tiene aportes de GABA , dopamina , serotonina y somatostatinérgicos , cada uno de ellos restringido a cierta región dendrítica. [1]
Las entradas del tectum óptico y la línea lateral ayudan a controlar en qué dirección se dobla el C-startle al desviar las células de Mauthner cuando hay obstáculos en las proximidades. En los casos en que se bloquea el movimiento para alejarse del estímulo, el pez puede inclinarse hacia la perturbación. [1] [18]
El montículo del axón de las células de Mauthner está rodeado por una densa formación de neuropilo, llamada tapa del axón . [2] La alta resistencia de esta cubierta de axón contribuye a la forma típica del potencial de campo de las células de Mauthner (ver más abajo). En su forma más avanzada, la cubierta del axón consta de un núcleo, inmediatamente adyacente al axón de la célula de Mauthner, que contiene una red de fibras amielínicas muy delgadas , y una parte periférica. Esta parte periférica contiene las grandes fibras amielínicas de las neuronas PHP (véase más adelante) que median la retroalimentación inhibidora hacia la célula de Mauthner; la propia célula de Mauthner también envía pequeñas dendritas desde la colina del axón hasta la parte periférica de la tapa del axón. Finalmente, la superficie de la tapa del axón está cubierta con una pared compuesta por varias capas de células gliales similares a astrocitos . Tanto las células gliales como las fibras amielínicas están acopladas entre sí mediante uniones comunicantes . [19]
Evolutivamente, el casquete axónico es un desarrollo más reciente que la propia célula de Mauthner, por lo que algunos animales, como las lampreas y las anguilas , aunque tienen células de Mauthner funcionales, no tienen ningún casquete axónico, mientras que otros animales, como los anfibios y pez pulmonado , tengo una versión muy simplificada. [2]
La parte principal de la red asociada a las células de Mauthner es la red de retroalimentación negativa , que asegura que sólo una de las dos células de Mauthner se active en respuesta al estímulo y que, cualquiera que sea la célula de Mauthner que se active, lo haga sólo una vez. Ambos requisitos son bastante naturales considerando que las consecuencias de una sola descarga de una celda de Mauthner son muy fuertes; El incumplimiento de estas dos normas no sólo impediría que el animal se escapara, sino que incluso podría dañarlo físicamente. La parte más rápida de esta red de retroalimentación negativa, que también es la más cercana a la célula de Mauthner, es la de las llamadas neuronas de potencial de campo hiperpolarizante pasivo o PHP . [1] Las fibras de estas neuronas están ubicadas en la tapa del axón y reciben información de las células de Mauthner tanto ipsilaterales como contralaterales . Los potenciales de campo de las neuronas PHP son fuertemente positivos y forman parte del 'potencial de campo de firma' de la célula de Mauthner (ver más abajo), con el componente temprano (iniciado ipsilateralmente) llamado Potencial Hiperpolarizante Extracelular (EHP), y el El componente posterior (iniciado contralateralmente) a veces se aborda en la literatura como Inhibición colateral tardía (LCI). [19] La acción de las neuronas PHP sobre las células de Mauthner está mediada por efectos eléctricos, no químicos: las corrientes externas generadas por los potenciales de acción en las fibras de la tapa del axón fluyen hacia adentro a través del montículo del axón de las células de Mauthner y lo hiperpolarizan. [1]
El único axón de la célula de Mauthner se extiende desde la célula hasta la línea media del rombencéfalo , rápidamente la cruza hacia el lado contralateral y luego desciende caudalmente a lo largo de la médula espinal . [19] Una sola descarga de la célula M logra todo un conjunto de efectos paralelos en las redes motoras espinales: 1) excita monosinápticamente grandes motoneuronas primarias en un lado del cuerpo; 2) excita disinapticamente motoneuronas más pequeñas en el mismo lado del cuerpo; 3) inicia potenciales de acción en interneuronas inhibidoras acopladas eléctricamente al axón de la célula M y, por medio de ellos, inhibe a) interneuronas inhibidoras que todavía se encuentran en el mismo lado del cuerpo (para evitar que interfieran con el inicio C), así como b) motoneuronas en el otro lado del cuerpo. Como resultado de este patrón de activación, los músculos rápidos de un lado del cuerpo se contraen simultáneamente, mientras que los músculos del otro lado del cuerpo se relajan. [20]
La inhibición de las células M por las células PHP se produce mediante interacciones efápticas . La inhibición se produce sin sinapsis químicas o acoplamiento sináptico eléctrico que tenga uniones de separación de baja resistencia que unan las células. Cuando la región del axón de la célula PHP fuera de la tapa del axón se despolariza, la entrada de carga positiva hacia la célula a través de canales de sodio dependientes de voltaje se acompaña de una salida pasiva de corriente desde el axón de la célula PHP hacia la región unida por la tapa del axón. Debido a la alta resistencia de las células gliales circundantes, la carga no se disipa y el potencial a través de la membrana de las células M aumenta, hiperpolarizándola.
Debido a su tamaño, la presencia de una red de retroalimentación rápida y la abundancia de sinapsis eléctricas y cuasi eléctricas ( efápticas ), la célula de Mauthner tiene un fuerte potencial de campo de una forma muy característica. [6] [19] Este potencial de campo comienza con un sumidero de potencial de alta amplitud de hasta decenas de milivoltios de amplitud que se origina en la descarga de la célula de Mauthner, y que es seguido de cerca por un potencial positivo, llamado Potencial Hiperpolarizante Extrínseco o EHP, que está asociado con la actividad de la red de retroalimentación recurrente. [1]
Debido a su gran amplitud, en algunos animales la parte negativa del potencial de campo de la célula de Mauthner puede detectarse hasta a varios cientos de micrómetros de distancia de la propia célula. [6] Los componentes positivos del potencial de campo son más fuertes en la tapa del axón, alcanzando amplitudes de 45 mV en peces de colores adultos. [19] Con el conocimiento de estas propiedades del potencial de campo, es posible utilizar el monitoreo del potencial de campo como una forma de encontrar el cuerpo celular de Mauthner in vivo , o in vitro en una preparación de cerebro completo, moviendo el electrodo de registro en el rombencéfalo. , mientras que al mismo tiempo estimula la médula espinal , evocando así potenciales de acción antidrómicos en el axón de las células de Mauthner. [19]
Se demostró que la aplicación de serotonina aumenta las entradas inhibidoras a las células M, mientras que la aplicación de dopamina aumenta la amplitud de los componentes químicos y eléctricos de las respuestas del VIII nervio a través de una activación del receptor postsináptico D2 mediada por la proteína G. [1] Se puede provocar una LTP dependiente de la actividad en las células M mediante una estimulación de alta frecuencia del VIII nervio. Sorprendentemente, esta LTP está mediada por sinapsis eléctrica y se supone que implica la modificación de los canales de unión hendidura . [1] También se demostró la posibilidad de inducción de LTP mediante estímulos sensoriales in vivo , [1] y la evidencia de la LTP de entradas inhibidoras a las células M [17] .
La preferencia espontánea en la dirección de giro en los peces de colores jóvenes se correlaciona con una de las células de Mauthner que es más grande que la otra. Es posible cambiar la preferencia de los peces criándolos en condiciones que faciliten los giros en una dirección específica; este cambio va acompañado de un cambio correspondiente en el tamaño de las células M. [21]
La célula de Mauthner fue identificada por primera vez por el oftalmólogo vienés Ludwig Mauthner en el pez teleósteo por su circuito neuronal asociado que media una respuesta de escape llamada C-start o C- startle para alejar al pez de un depredador.
La célula M es un sistema modelo en el campo de la Neuroetología . El sistema de células M ha servido para investigaciones neurofisiológicas e histológicas detalladas de la transmisión sináptica y la plasticidad sináptica . [1] Los estudios de Donald Faber y Henri Korn ayudaron a establecer la hipótesis de una vesícula de transmisión sináptica en el SNC . Otros temas de investigación importantes que se han investigado en el sistema de células M incluyen estudios de Yoichi Oda y colegas sobre la potenciación inhibidora a largo plazo y condicionamiento auditivo de la respuesta de sobresalto, y estudios de Alberto Pereda y colegas sobre la plasticidad de las sinapsis eléctricas . Otros temas de investigación investigados en el sistema de células M incluyen estudios de redes neuronales espinales y regeneración neuronal realizados por Joe Fetcho y sus colegas, así como la localización del sonido bajo el agua y la biofísica de la computación en neuronas individuales.