El estallido , o disparo en ráfaga , es un fenómeno general extremadamente diverso [1] de los patrones de activación de las neuronas en el sistema nervioso central [2] [3] y la médula espinal [4] donde los períodos de aumento rápido del potencial de acción son seguidos por períodos de inactividad. mucho más largos que los intervalos típicos entre picos. Se cree que la explosión es importante en el funcionamiento de generadores de patrones centrales robustos , [5] [6] [7] la transmisión de códigos neuronales , [8] [9] y algunas neuropatologías como la epilepsia . [10] El estudio del estallido, tanto directamente como en su participación en otros fenómenos neuronales, ha sido muy popular desde los inicios de la neurociencia celular y está estrechamente vinculado a los campos de la sincronización neuronal , la codificación neuronal , la plasticidad y la atención .
Los estallidos observados se denominan según el número de potenciales de acción discretos que los componen: un doblete es un estallido de dos picos, un triplete de tres y un cuatrillizo de cuatro. Las neuronas que son intrínsecamente propensas a estallar se denominan explosivas y esta tendencia a estallar puede ser producto del entorno o del fenotipo de la célula.
Las neuronas normalmente funcionan disparando picos de potencial de acción único en relativo aislamiento a medida que potenciales postsinápticos de entrada discretos se combinan e impulsan el potencial de membrana a través del umbral . En cambio, la explosión puede ocurrir por muchas razones, pero las neuronas generalmente se pueden agrupar según exhiban estallido intrínseco o impulsado por entradas . La mayoría de las células exhibirán estallidos si son impulsadas por una entrada constante por debajo del umbral [11] y las células particulares que son genotípicamente propensas a estallar (llamadas estallidos ) tienen sistemas de retroalimentación complejos que producirán patrones de estallido con menos dependencia de la entrada y, a veces, incluso de forma aislada. . [3] [11]
En cada caso, a menudo se piensa [ cita necesaria ] que el sistema fisiológico es la acción de dos subsistemas vinculados. El subsistema rápido es responsable de cada pico que produce la neurona. El subsistema lento modula la forma y la intensidad de estos picos antes de desencadenar finalmente la inactividad.
La explosión impulsada por entradas a menudo [ cita necesaria ] codifica la intensidad de la entrada en la frecuencia de explosión [11] donde una neurona actúa como integrador . El estallido intrínseco es un fenómeno más especializado y ¿ quién lo cree ? ] para desempeñar un papel mucho más diverso en la computación neuronal . [ se necesita aclaración ]
Las ráfagas se diferencian de la activación tónica , típicamente asociada con tiempos de pico distribuidos de Poisson para una tasa de activación promedio determinada, en que la explosión implica un "subsistema lento" fisiológico que eventualmente se agota a medida que continúa la explosión y luego debe reponerse antes de que la célula pueda explotar nuevamente (compárese periodo refractario ). [11] Durante el evento de explosión, este lento subsistema modula el tiempo y la intensidad de los picos emitidos y es pensado [ ¿ por quién? ] es importante en los aspectos computacionales [ se necesita aclaración ] del patrón de ráfaga resultante. Hay muchos mecanismos descubiertos de subsistemas lentos, incluidas las corrientes dependientes de voltaje [ 6] [12] [13] y Ca 2+ [14] y la interacción de picos entre las dendritas y el cuerpo celular . [15]
El subsistema lento también está conectado a patrones de explosión endógenos en las neuronas, donde el patrón puede mantenerse completamente mediante un mecanismo interno sin ninguna entrada sináptica . Este proceso también depende de los canales de calcio , que despolarizan la neurona al permitir la entrada de iones de calcio . Mientras las concentraciones internas de iones de calcio permanezcan en un nivel elevado, la neurona seguirá experimentando períodos de rápidos picos. Sin embargo, los niveles elevados de iones de calcio también desencadenan una cascada de segundos mensajeros dentro de la célula que reduce la entrada de calcio y promueve la salida de calcio y la amortiguación . A medida que disminuyen las concentraciones de calcio, cesa el período de estallido rápido y comienza la fase de quietud. Cuando los niveles de calcio son bajos, los canales de calcio originales se reabrirán, reiniciando el proceso y creando un patrón de explosión. [dieciséis]
De forma aislada o en modelos matemáticos, se puede reconocer el estallido, ya que el entorno y el estado de la neurona se pueden observar y modular cuidadosamente. Sin embargo, cuando se observan neuronas en la naturaleza, puede ser difícil distinguir el estallido de los patrones de activación normales. Para reconocer patrones de explosión en estos contextos, se utilizan métodos estadísticos para determinar los parámetros de umbral.
El estallido se caracteriza por un coeficiente de variación (CV) de los intervalos entre picos (ISI) que es mayor que uno, o un factor de Fano del recuento de picos que es mayor que uno, porque el estallido conduce a patrones de picos que son más irregulares que un Proceso de Poisson (que tiene un CV y un factor de Fano iguales a la unidad). Alternativamente, el coeficiente de correlación serial de la secuencia ISI es positivo para los patrones de estallido, porque en este caso los ISI cortos tienden a ser seguidos por ISI más cortos (al menos si los estallidos constan de más de dos picos).
El comportamiento de las neuronas a menudo se modela como sistemas dinámicos no lineales de un solo compartimento , donde los estados de las neuronas representan cantidades fisiológicas como el voltaje de la membrana, el flujo de corriente y las concentraciones de varios iones intra y extracelularmente. Estos modelos generalmente toman la forma singularmente perturbada
donde y son relaciones de estilo Hodgkin-Huxley , es un vector que representa los parámetros de celda relevantes para el subsistema rápido, es un vector que representa los parámetros del subsistema de modulación lenta y es la relación de las escalas de tiempo entre los subsistemas rápido y lento. [11]
Los modelos de dinámica neuronal generalmente exhiben una serie de atractores estables e inestables en el espacio de fases que representan estados de reposo. Cuando el sistema está suficientemente perturbado por estímulos de entrada, puede seguir un camino de retorno complejo hacia el atractor estable que representa un potencial de acción. En las neuronas en explosión, estos espacios dinámicos se bifurcan entre modos inactivos y en explosión de acuerdo con la dinámica del sistema lento. Estas dos bifurcaciones pueden adoptar muchas formas y la elección de la bifurcación, tanto de inactiva a estallida como de estallido a inactiva, puede afectar los aspectos de comportamiento del estallido.
La clasificación completa de bifurcaciones de reposo a estallido y de estallido a reposo conduce a 16 formas comunes y 120 formas posibles si no se restringe la dimensionalidad del subsistema rápido. [11] De los 16 más comunes, algunos están bien estudiados.
El estallido plegado/homoclínico , también llamado de onda cuadrada, se llama así porque la forma de la traza de voltaje durante un estallido se parece a una onda cuadrada debido a las rápidas transiciones entre el atractor del estado de reposo y el ciclo límite de picos. [11]
El estallido es un fenómeno muy general y se observa en muchos contextos en muchos sistemas neuronales. Por esta razón, es difícil encontrar un significado o propósito específico para estallar y, en cambio, desempeña muchos roles. En cualquier circuito dado, las ráfagas observadas pueden desempeñar un papel en cualquiera o en todos los mecanismos siguientes y pueden tener un impacto aún más sofisticado en la red.
Las fortalezas sinápticas entre las neuronas siguen cambios que dependen del momento y el estallido de los picos. Para las sinapsis excitadoras de la corteza, emparejar un potencial de acción en la neurona presináptica con una explosión en la neurona postsináptica conduce a una potenciación a largo plazo de la fuerza sináptica, mientras que emparejar un potencial de acción en la neurona presináptica con una Un solo pico en la neurona postsináptica conduce a una depresión a largo plazo de la fuerza sináptica. [17] Tal dependencia de la plasticidad sináptica en los patrones de sincronización de picos se conoce como plasticidad dependiente de ráfagas. La plasticidad dependiente de estallidos se observa con variaciones en múltiples áreas del cerebro. [18]
Algunas neuronas, a veces llamadas resonadores , exhiben sensibilidad para frecuencias de entrada específicas y se activan más rápida o exclusivamente cuando se estimulan a esa frecuencia. Las neuronas intrínsecamente explosivas pueden utilizar este efecto de filtrado de paso de banda para codificar neuronas de destino específicas y señales multiplexadas a lo largo de un solo axón . [11] De manera más general, debido a la depresión y facilitación sináptica a corto plazo, las sinapsis específicas pueden ser resonantes para ciertas frecuencias y, por lo tanto, convertirse en objetivos específicos viables para las células en explosión. [19] Cuando se combina con plasticidad a largo plazo dependiente de ráfagas, dicha multiplexación puede permitir que las neuronas coordinen la plasticidad sináptica a través de redes jerárquicas. [17] [20]
La sincronización de ráfagas se refiere a la alineación de períodos de ráfaga y de reposo en neuronas interconectadas. En general, si se conecta una red de neuronas en explosión, eventualmente se sincronizará para la mayoría de los tipos de explosión. [11] [21] [22] La sincronización también puede aparecer en circuitos que no contienen neuronas intrínsecamente explosivas; sin embargo, su apariencia y estabilidad a menudo se pueden mejorar al incluir células intrínsecamente explosivas en la red. [7] Dado que la sincronización está relacionada con la plasticidad y la memoria a través de la plasticidad hebbiana y la potenciación a largo plazo, la interacción con la plasticidad y el estallido intrínseco es muy importante [ cita necesaria ] .
Debido a la naturaleza de todo o nada de los potenciales de acción, los picos únicos sólo pueden codificar información en sus intervalos entre picos (ISI). Este es un método inherentemente de baja fidelidad para transferir información, ya que depende de una sincronización muy precisa y es sensible a la pérdida de señal ruidosa: si un solo pico se sincroniza mal o no se recibe correctamente en la sinapsis, conduce a una pérdida posiblemente irrecuperable en la codificación . cita necesaria ] . Dado que se cree que las ráfagas intrínsecas se derivan de un mecanismo computacional en el subsistema lento, cada una puede representar una cantidad mucho mayor de información en la forma específica de una única ráfaga que conduce a una transmisión mucho más robusta. Los modelos fisiológicos muestran que para una entrada determinada, los tiempos entre picos y ráfagas son mucho más variables que el tiempo de la forma de ráfaga en sí [9] , lo que también implica que el tiempo entre eventos es una forma menos sólida de codificar información.
El alfabeto ampliado para la comunicación, posible al considerar patrones de ráfagas como señales discretas, permite una mayor capacidad de canal en las comunicaciones neuronales y proporciona una conexión popular entre la codificación neuronal y la teoría de la información .
Se cree que el subículo , un componente de la formación del hipocampo , realiza la transmisión de señales que se originan en el hipocampo a muchas otras partes del cerebro. [23] Para realizar esta función, utiliza neuronas intrínsecamente explosivas para convertir estímulos únicos prometedores en patrones de explosión más duraderos como una forma de centrar mejor la atención en nuevos estímulos y activar importantes circuitos de procesamiento. [2] [24] Una vez que estos circuitos se han activado, la señal subicular vuelve a un modo de pico único. [25]
El complejo pre-Bötzinger (preBötC) está ubicado en la médula ventrolateral y se propone generar el ritmo subyacente a los esfuerzos inspiratorios en los mamíferos. Dado que la frecuencia a la que los pulmones necesitan funcionar puede variar según la demanda metabólica, la actividad preBötC se modula en una amplia gama de frecuencias y es capaz de arrastrar al sistema respiratorio para satisfacer la demanda metabólica. Si bien las neuronas marcapasos no necesariamente requieren neuronas intrínsecamente explosivas [21], el preBötC contiene una población heterogénea de neuronas tanto regulares como intrínsecamente explosivas. Se cree que las neuronas que explotan intrínsecamente hacen que las oscilaciones preBötC sean más robustas ante los cambios de frecuencia y la regularidad de los esfuerzos inspiratorios. [7]
Se ha propuesto que las neuronas cerebelosas de Purkinje tienen dos modos de explosión distintos: impulsadas dendríticamente , por Ca dendrítico2+
picos , [26] y somáticamente impulsado, en el que el Na persistente+
La corriente es el iniciador de ráfaga y el SK K.+
la corriente es el terminador de ráfaga. [27] Las neuronas de Purkinje pueden utilizar estas formas explosivas para codificar información en los núcleos cerebelosos profundos .
Rinzel J. (1986) Una clasificación formal de mecanismos de explosión en sistemas excitables. Actas del Congreso Internacional de Matemáticos. Berkeley, California, EE.UU.
Izhikevich EM (2006) Estallando. Scholarpedia , 1(3):1300
