La neuromorfología (del griego νεῦρον, neurona, "nervio"; μορφή, morphé, "forma"; -λογία, -logia, "estudio de" [1] [2] ) es el estudio de la forma, forma y estructura del sistema nervioso . El estudio implica observar una parte particular del sistema nervioso desde un nivel molecular y celular y conectarla con un punto de vista fisiológico y anatómico . El campo también explora las comunicaciones e interacciones dentro y entre cada sección especializada del sistema nervioso. La morfología es distinta de la morfogénesis . La morfología es el estudio de la forma y estructura de los organismos biológicos, mientras que la morfogénesis es el estudio del desarrollo biológico de la forma y estructura de los organismos. Por lo tanto, la neuromorfología se centra en las características específicas de la estructura del sistema nervioso y no en el proceso mediante el cual se desarrolló la estructura. La neuromorfología y la morfogénesis, si bien son dos entidades diferentes, están estrechamente relacionadas.
Los avances en la definición de la morfología de las células nerviosas han sido lentos en su desarrollo. Pasó casi un siglo después de la aceptación de la célula como unidad básica de la vida antes de que los investigadores pudieran ponerse de acuerdo sobre la forma de una neurona . Originalmente se pensó que era un corpúsculo globular independiente suspendido a lo largo de fibras nerviosas que se enrollaban y enrollaban. [3] No fue hasta la primera microdisección exitosa de una célula nerviosa completa realizada por Otto Deiters en 1865 que se pudieron distinguir las dendritas y el axón por separado. [3] A finales del siglo XIX, se desarrollaron nuevas técnicas, como el método de Golgi , que permitieron a los investigadores ver la neurona completa. Esta investigación de Golgi luego promovió nuevas investigaciones sobre el espaciamiento neuronal por parte de Ramón y Cajal en 1911. Continuaron desarrollándose más investigaciones sobre morfología, incluida la morfología dendrítica. En 1983, Thoroya Abdel-Maguid y David Bowsher ampliaron el método de Golgi y lo combinaron con una técnica de impregnación que les permitió visualizar las dendritas de las neuronas y clasificarlas según sus patrones dendríticos. [4] Desde entonces, se han desarrollado y aplicado innumerables técnicas al campo de la neuromorfología.
La investigación ha apoyado una relación entre las propiedades morfológicas y funcionales de las neuronas. Por ejemplo, se ha estudiado la concordancia entre la morfología y las clases funcionales de las células ganglionares de la retina de los gatos para mostrar la relación entre la forma y la función de las neuronas. La sensibilidad a la orientación y los patrones de ramificación dendrítica son algunas otras características comunes de las neuronas que, según los investigadores, tienen un efecto sobre la función neuronal. [5] Ian A. Meinertzhagen et al. Recientemente, han establecido una conexión entre los factores genéticos que subyacen a una estructura neuronal específica y cómo estos dos factores pertenecen a la función de la neurona mediante el examen de los nervios ópticos en Drosophila melanogaster . Afirman que la estructura de la neurona es capaz de determinar su función dictando la formación de sinapsis. [6]
La geometría de las neuronas a menudo depende del tipo de célula y del historial de estímulos recibidos que se procesan a través de las sinapsis. La forma de una neurona a menudo dirige su función mediante el establecimiento de asociaciones sinápticas. Sin embargo, también existe una evidencia cada vez mayor de la transmisión de volumen , un proceso que implica interacciones electroquímicas desde toda la membrana celular . [5]
La morfología del árbol axonal es fundamental en la modulación de la actividad y la codificación de la información. [7]
El desarrollo de las características morfológicas de las neuronas se rige por factores tanto intrínsecos como extrínsecos . La neuromorfología del tejido nervioso depende de genes y otros factores, como campos eléctricos , ondas iónicas y gravedad . Las células en desarrollo además imponen limitaciones geométricas y físicas entre sí. Estas interacciones afectan la forma neuronal y la sinaptogénesis . [8] Las medidas morfológicas y las aplicaciones de imágenes son importantes para comprender mejor el proceso de desarrollo.
Dado que existe una amplia gama de funciones realizadas por diferentes tipos de neuronas en diversas partes del sistema nervioso, existe una amplia variedad en el tamaño, la forma y las propiedades electroquímicas de las neuronas. Las neuronas se pueden encontrar en diferentes formas y tamaños y se pueden clasificar según su morfología. El científico italiano Camillo Golgi agrupó las neuronas en células de tipo I y tipo II. Las neuronas de Golgi tipo I tienen axones largos que pueden mover señales a largas distancias, como en las células de Purkinje , mientras que las neuronas de Golgi tipo II generalmente tienen axones más cortos, como las células granulares , o son anaxónicas. [9]
Las neuronas pueden caracterizarse morfológicamente como unipolares , bipolares o multipolares . Las células unipolares y pseudounipolares tienen un solo proceso que se extiende desde el cuerpo celular. Las células bipolares tienen dos procesos que se extienden desde el cuerpo celular y las células multipolares tienen tres o más procesos que se extienden hacia y desde el cuerpo celular.
La neuromorfología teórica es una rama de la neuromorfología centrada en la descripción matemática de la forma, estructura y conectividad del sistema nervioso.
La neuromorfología gravitacional estudia los efectos de la gravedad alterada en la arquitectura de los sistemas nerviosos central , periférico y autónomo . Este subcampo tiene como objetivo ampliar la comprensión actual de las capacidades adaptativas de los sistemas nerviosos y examina específicamente cómo los efectos ambientales pueden alterar la estructura y función del sistema nervioso. En este caso, las manipulaciones ambientales generalmente incluyen exponer las neuronas a hipergravedad o microgravedad . Es un subconjunto de la biología gravitacional . [10]
Se han utilizado diversas técnicas para estudiar la neuromorfología, incluida la microscopía confocal , la estereología basada en diseño , el rastreo de neuronas [11] y la reconstrucción de neuronas. Las innovaciones actuales y las investigaciones futuras incluyen microscopía virtual , estereología automatizada, mapeo cortical , rastreo neuronal automatizado guiado por mapas , técnicas de microondas y análisis de redes. De las técnicas utilizadas actualmente para estudiar la neuromorfología, la estereología basada en diseño y la microscopía confocal son los dos métodos más preferidos. También existe una base de datos completa de morfología neuronal llamada NeuroMorpho Database. [12]
La estereología basada en diseño es uno de los métodos más destacados para extrapolar matemáticamente una forma tridimensional a partir de una forma bidimensional determinada. Actualmente es la técnica líder en investigación biomédica para analizar estructuras tridimensionales. [13] La estereología basada en diseño es una técnica de estereología más nueva que examina la morfología que ha sido predefinida y diseñada. Esta técnica contrasta con el método más antiguo, la estereología basada en modelos, que utilizaba modelos previamente determinados como guía. La estereología más actual basada en el diseño permite a los investigadores investigar la morfología de las neuronas sin tener que hacer suposiciones sobre su tamaño, forma, orientación o distribución. La estereología basada en diseño también brinda a los investigadores más libertad y flexibilidad, ya que la estereología basada en modelos solo es efectiva si los modelos son verdaderamente representativos del objeto que se estudia, mientras que la estereología basada en diseño no está limitada de esta manera. [14]
La microscopía confocal es el procedimiento microscópico de elección para examinar las estructuras neuronales, ya que produce imágenes nítidas con una resolución mejorada y una relación señal-ruido reducida . La forma específica en que funciona esta microscopía permite observar un plano confocal a la vez, lo cual es óptimo cuando se observan estructuras neuronales. Otras formas más convencionales de microscopía simplemente no permiten visualizar todas las estructuras neuronales, especialmente aquellas que son subcelulares. Recientemente, algunos investigadores han estado combinando la estereología basada en diseño y la microscopía confocal para avanzar en sus investigaciones sobre estructuras celulares neuronales específicas.
El mapeo cortical se define como el proceso de caracterizar regiones específicas del cerebro en función de características anatómicas o funcionales. Los atlas cerebrales actuales no son lo suficientemente definitivos ni homogéneos para representar detalles estructurales específicos. Sin embargo , los recientes avances en imágenes funcionales del cerebro y análisis estadístico pueden resultar suficientes en el futuro. Un desarrollo reciente en este campo llamado método del índice de nivel de gris (GLI) permite una identificación más objetiva de las regiones corticales mediante algoritmos . El GLI es un método estandarizado que permite a los investigadores determinar la densidad neuronal. Se define específicamente como la relación entre el área cubierta por elementos teñidos con Nissl y el área cubierta por elementos no teñidos. [15] Todavía se están desarrollando técnicas de mapeo cortical más sofisticadas y este campo probablemente verá un crecimiento exponencial en los métodos de mapeo en el futuro cercano.
La neuromorfología se ha utilizado como un nuevo método para explorar la causa subyacente de muchos trastornos neurológicos , y se ha incluido en el estudio clínico de diversas enfermedades neurodegenerativas , trastornos mentales , problemas de aprendizaje y disfunciones debidas al daño cerebral. Los investigadores han estado utilizando técnicas neuromorfológicas no solo para estudiar el daño sino también formas de regenerar el nervio dañado a través de formas como la estimulación del crecimiento de los axones. La neuromofología se ha utilizado para estudiar el daño del nervio óptico , específicamente observando lesiones y atrofias . Los investigadores también han examinado e identificado la neuromorfología del pene humano para comprender mejor el papel que desempeña el sistema nervioso simpático en el logro de una erección. [dieciséis]
La neuromorfología computacional examina las neuronas y sus subestructuras cortándolas en rodajas y estudiando estas diferentes subsecciones. También describe el espacio neuromorfológico como un espacio tridimensional. Esto permite a los investigadores comprender el tamaño de componentes neuronales específicos. Además, las imágenes tridimensionales ayudan a los investigadores a comprender cómo la neurona transmite información dentro de sí misma. [17]
La microscopía virtual permitiría a los investigadores obtener imágenes con una menor cantidad de sesiones de imágenes, preservando así la integridad del tejido y disminuyendo la posibilidad de que los tintes fluorescentes se desvanezcan durante la toma de imágenes. Este método también brindaría a los investigadores la capacidad de visualizar datos que actualmente no se pueden obtener, como tipos de células raras y la asignación espacial de células en una región cerebral específica. [13] La microscopía virtual esencialmente permitiría la digitalización de todas las imágenes obtenidas, evitando así el deterioro de los datos. Esta digitalización también podría permitir a los investigadores crear una base de datos para compartir y almacenar sus datos.