La detección de coincidencias es un proceso neuronal en el que un circuito neuronal codifica información detectando la ocurrencia de señales de entrada cercanas temporalmente pero distribuidas espacialmente. Los detectores de coincidencias influyen en el procesamiento de la información neuronal al reducir la inestabilidad temporal y la actividad espontánea, lo que permite la creación de asociaciones variables entre eventos neuronales separados en la memoria . [1] El estudio de los detectores de coincidencias ha sido crucial en la neurociencia en lo que respecta a la comprensión de la formación de mapas computacionales en el cerebro.
La detección de coincidencias se basa en entradas separadas que convergen en un objetivo común. Por ejemplo (Fig. 1), en un circuito neuronal básico con dos neuronas de entrada (A y B) que tienen terminales sinápticas excitatorias que convergen en una sola neurona de salida (C), si el EPSP de cada neurona de entrada está por debajo del umbral para un potencial de acción en C, entonces C no puede dispararse a menos que las dos entradas de A y B estén temporalmente cerca. La llegada sincrónica de estas dos entradas puede empujar el potencial de membrana de una neurona objetivo por encima del umbral necesario para crear un potencial de acción. Por el contrario, si las dos entradas llegan demasiado separadas temporalmente, la despolarización de la primera entrada puede tener tiempo de caer significativamente, impidiendo que el potencial de membrana de la neurona objetivo alcance el umbral del potencial de acción. Por lo tanto, la función de la detección de coincidencias es reducir la vibración causada por la actividad neuronal espontánea, y aunque las estimulaciones aleatorias subumbral de las células pueden no activarse a menudo de manera coincidente, las entradas sinápticas coincidentes derivadas de un estímulo externo unitario garantizan que una neurona objetivo se active como resultado del estímulo.
La descripción anterior se aplica bien a las entradas de retroalimentación hacia las neuronas, que proporcionan entradas desde nervios sensoriales o regiones de nivel inferior en el cerebro. Sin embargo, alrededor del 90% de las conexiones interneuronales no son de naturaleza retroalimentación hacia adelante, sino predictivas (o moduladoras o atencionales). Estas conexiones reciben entradas principalmente de células cercanas en la misma capa que la célula receptora, y también de conexiones distantes que se alimentan a través de la Capa 1. Las dendritas que reciben estas entradas están bastante alejadas del cuerpo celular y, por lo tanto, exhiben un comportamiento eléctrico y de procesamiento de señales diferente en comparación con las dendritas proximales (o de retroalimentación hacia adelante) descritas anteriormente.
En una sección corta (de unos 40 μm de longitud) de la dendrita distal, la reacción a las activaciones que llegan a las sinapsis de las espinas dendríticas actúa para elevar el potencial local general con cada señal entrante. Este potencial creciente actúa contra un fondo de decaimiento del potencial hasta el nivel de reposo. Si se reciben suficientes señales en un corto período de tiempo (es decir, antes de que el voltaje general decaiga hasta el nivel de fondo), el voltaje del segmento aumentará por encima de un umbral, dando lugar a un pico dendrítico no lineal, que viaja, efectivamente sin disminución, hasta el cuerpo celular, y que hace que se despolarice parcialmente.
Esta es quizás la forma más importante de detección de coincidencias dendríticas en el cerebro. La activación proximal, más fácil de entender, actúa durante períodos de tiempo mucho más largos y, por lo tanto, es mucho menos sensible al factor tiempo en la detección de coincidencias.
Se ha demostrado que la detección de coincidencias es un factor importante en la localización del sonido a lo largo del plano acimutal en varios organismos. En 1948, Lloyd A. Jeffress propuso que algunos organismos pueden tener un conjunto de neuronas que reciben información auditiva de cada oído. [2] Las vías neuronales hacia estas neuronas se denominan líneas de retardo. Jeffress afirmó que las neuronas que las líneas de retardo vinculan actúan como detectores de coincidencias al activarse al máximo cuando reciben información simultánea de ambos oídos. Cuando se escucha un sonido, las ondas sonoras pueden llegar a los oídos en diferentes momentos. Esto se conoce como diferencia de tiempo interaural (ITD). Debido a las diferentes longitudes y una velocidad de conducción finita dentro de los axones de las líneas de retardo, se activarán diferentes neuronas detectoras de coincidencias cuando el sonido provenga de diferentes posiciones a lo largo del acimut. El modelo de Jeffress propone que dos señales, incluso de una llegada asincrónica de sonido a la cóclea de cada oído, convergerán sincrónicamente en un detector de coincidencia en la corteza auditiva en función de la magnitud del ITD (Fig. 2). Por lo tanto, el ITD debería corresponder a un mapa anatómico que se puede encontrar dentro del cerebro. El estudio de Masakazu Konishi sobre las lechuzas muestra que esto es cierto. [3] La información sensorial de las células ciliadas de los oídos viaja al núcleo magnocelular ipsilateral. Desde aquí, las señales se proyectan ipsilateral y contralateralmente a dos núcleos laminares. Cada núcleo laminar contiene detectores de coincidencia que reciben información auditiva del oído izquierdo y derecho. Dado que los axones ipsilaterales ingresan al núcleo laminar de forma dorsal mientras que los axones contralaterales ingresan de forma ventral, los sonidos desde varias posiciones a lo largo del acimut corresponden directamente a la estimulación de diferentes profundidades del núcleo laminar. A partir de esta información, se formó un mapa neuronal del espacio auditivo. La función del núcleo laminar es paralela a la de la oliva superior medial en los mamíferos. [4]
En 1949, Donald Hebb postuló que la eficiencia sináptica aumentará a través de la estimulación repetida y persistente de una célula postsináptica por una célula presináptica. Esto a menudo se resume informalmente como " células que se activan juntas, se conectan juntas ". La teoría fue validada en parte por el descubrimiento de la potenciación a largo plazo . Los estudios de LTP en múltiples células presinápticas que estimulan una célula postsináptica descubrieron la propiedad de la asociatividad. Una estimulación neuronal débil sobre una neurona piramidal puede no inducir una potenciación a largo plazo. Sin embargo, esta misma estimulación emparejada con una estimulación fuerte simultánea de otra neurona fortalecerá ambas sinapsis . [5] Este proceso sugiere que dos vías neuronales que convergen en la misma célula pueden fortalecerse si se estimulan de manera coincidente.
La LTP en el hipocampo requiere una despolarización prolongada que pueda expulsar el bloqueo de Mg 2+ de los receptores NMDA postsinápticos . La eliminación del bloqueo de Mg 2+ permite el flujo de Ca 2+ hacia la célula. Una gran elevación de los niveles de calcio activa las proteínas quinasas que, en última instancia, aumentan el número de receptores AMPA postsinápticos . Esto aumenta la sensibilidad de la célula postsináptica al glutamato . Como resultado, ambas sinapsis se fortalecen. La despolarización prolongada necesaria para la expulsión de Mg 2+ de los receptores NMDA requiere una estimulación de alta frecuencia. [6] La asociatividad se convierte en un factor porque esto se puede lograr a través de dos entradas simultáneas que pueden no ser lo suficientemente fuertes para activar la LTP por sí mismas.
Además de los procesos basados en el receptor NMDA, otros mecanismos celulares permiten la asociación entre dos señales de entrada diferentes que convergen en la misma neurona, en un marco temporal definido. Tras un aumento simultáneo de las concentraciones intracelulares de AMPc y Ca 2+ , se activa un coactivador transcripcional llamado TORC1 ( CRTC1 ), que convierte la coincidencia temporal de los dos segundos mensajeros en cambios a largo plazo como la LTP. [7] Este mecanismo celular, a través de la activación de la adenilato ciclasa dependiente de calcio , también podría explicar la detección de la estimulación repetitiva de una sinapsis determinada .
La adenilil ciclasa (también conocida comúnmente como adenil ciclasa y adenilato ciclasa ) se ha implicado en la formación de la memoria como un detector de coincidencias. [8] [9] [10] [11]
La depresión a largo plazo también funciona a través de propiedades asociativas, aunque no siempre es el proceso inverso de la LTP. La LTD en el cerebelo requiere una estimulación coincidente de las fibras paralelas y las fibras trepadoras . El glutamato liberado de las fibras paralelas activa los receptores AMPA que despolarizan la célula postsináptica. Las fibras paralelas también activan los receptores metabotrópicos de glutamato que liberan los segundos mensajeros IP3 y DAG. Las fibras trepadoras estimulan un gran aumento en los niveles postsinápticos de Ca2 + cuando se activan. El Ca2 + , el IP3 y el DAG trabajan juntos en una vía de transducción de señales para internalizar los receptores AMPA y disminuir la sensibilidad de la célula postsináptica al glutamato. [6]