La neurociencia molecular es una rama de la neurociencia que observa conceptos de biología molecular aplicados al sistema nervioso de los animales. El alcance de esta materia abarca temas como la neuroanatomía molecular , los mecanismos de señalización molecular en el sistema nervioso , los efectos de la genética y la epigenética en el desarrollo neuronal y las bases moleculares de la neuroplasticidad y las enfermedades neurodegenerativas . [1] Al igual que la biología molecular, la neurociencia molecular es un campo relativamente nuevo y considerablemente dinámico.
En biología molecular , la comunicación entre neuronas ocurre típicamente mediante transmisión química a través de espacios entre las células llamados sinapsis . Las sustancias químicas transmitidas, conocidas como neurotransmisores , regulan una fracción significativa de las funciones vitales del cuerpo. [2] Es posible localizar anatómicamente neurotransmisores mediante técnicas de etiquetado. Es posible identificar químicamente ciertos neurotransmisores como las catecolaminas fijando secciones de tejido neural con formaldehído . Esto puede dar lugar a fluorescencia inducida por formaldehído cuando se expone a la luz ultravioleta . Mediante esta técnica se identificó dopamina , una catecolamina, en el nematodo C. elegans . [3] La inmunocitoquímica , que implica generar anticuerpos contra entidades químicas o biológicas específicas, incluye algunas otras técnicas de interés. Un neurotransmisor objetivo podría marcarse específicamente mediante anticuerpos primarios y secundarios con marcaje radiactivo para identificar el neurotransmisor mediante autorradiografía . La presencia de neurotransmisores (aunque no necesariamente su ubicación) se puede observar en inmunocitoquímica ligada a enzimas o ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas (ELISA) en los que la unión del sustrato en los ensayos enzimáticos puede inducir precipitados , fluoróforos o quimioluminiscencia . En el caso de que los neurotransmisores no puedan identificarse histoquímicamente, un método alternativo es localizarlos mediante sus mecanismos de captación neuronal. [1]
Las células excitables de los organismos vivos tienen canales iónicos dependientes de voltaje . Estos se pueden observar en todo el sistema nervioso en las neuronas. Los primeros canales iónicos caracterizados fueron los canales iónicos de sodio y potasio por AL Hodgkin y AF Huxley en la década de 1950 al estudiar el axón gigante del género de calamar Loligo . Su investigación demostró la permeabilidad selectiva de las membranas celulares, dependiente de condiciones fisiológicas, y los efectos eléctricos que resultan de estas permeabilidades para producir potenciales de acción . [4]
Los canales de sodio fueron los primeros canales iónicos dependientes de voltaje que fueron aislados en 1984 de la anguila Electrophorus electricus por Shosaku Numa . Se utilizó la toxina del pez globo tetrodotoxina (TTX) , un bloqueador de los canales de sodio, para aislar la proteína del canal de sodio uniéndola mediante la técnica de cromatografía en columna para la separación química. La secuencia de aminoácidos de la proteína se analizó mediante degradación de Edman y luego se usó para construir una biblioteca de ADNc que podría usarse para clonar la proteína del canal. La clonación del canal en sí permitió aplicaciones como identificar los mismos canales en otros animales. [1] Los canales de sodio son conocidos por trabajar en conjunto con los canales de potasio durante el desarrollo de potenciales graduados y potenciales de acción. Los canales de sodio permiten una entrada de iones Na + hacia una neurona, lo que resulta en una despolarización del potencial de membrana en reposo de una neurona para conducir a un potencial graduado o potencial de acción, dependiendo del grado de despolarización. [5]
Los canales de potasio se presentan en diversas formas, están presentes en la mayoría de las células eucariotas y normalmente tienden a estabilizar la membrana celular en el potencial de equilibrio del potasio . Al igual que ocurre con los iones de sodio, los potenciales graduados y los potenciales de acción también dependen de los canales de potasio. Mientras que la entrada de iones Na + hacia una neurona induce la despolarización celular, la salida de iones K + fuera de una neurona hace que la célula se repolarice hasta el potencial de membrana en reposo. La activación de los canales iónicos de potasio depende de la despolarización resultante del influjo de Na + durante un potencial de acción. [1] Al igual que con los canales de sodio, los canales de potasio tienen sus propias toxinas que bloquean la acción de las proteínas del canal. Un ejemplo de tal toxina es el catión grande tetraetilamonio (TEA) , pero es notable que la toxina no tiene el mismo mecanismo de acción en todos los canales de potasio, dada la variedad de tipos de canales entre especies. La presencia de canales de potasio se identificó por primera vez en moscas mutantes de Drosophila melanogaster que se agitaban incontrolablemente durante la anestesia debido a problemas en la repolarización celular que conducían a una electrofisiología anormal de neuronas y músculos. Los canales de potasio se identificaron por primera vez mediante la manipulación de la genética molecular (de las moscas) en lugar de realizar una purificación de proteínas del canal porque no se conocían ligandos de alta afinidad para los canales de potasio (como el TEA) en el momento del descubrimiento. [ dieciséis]
Los canales de calcio son importantes para ciertas cascadas de señalización celular, así como para la liberación de neurotransmisores en las terminales de los axones . En las células excitables se encuentran diversos tipos de canales iónicos de calcio. Al igual que ocurre con los canales iónicos de sodio, los canales iónicos de calcio se han aislado y clonado mediante técnicas de purificación cromatográfica. Es notable, como en el caso de la liberación de neurotransmisores, que los canales de calcio puedan interactuar con las proteínas intracelulares y desempeñen un papel importante en la señalización, especialmente en lugares como el retículo sarcoplásmico de las células musculares. [1]
Se pueden usar varios tipos de receptores para la señalización y comunicación celular y pueden incluir receptores ionotrópicos y receptores metabotrópicos. Estos tipos de receptores de la superficie celular se diferencian por el mecanismo y la duración de la acción: los receptores ionotrópicos se asocian con una transmisión rápida de señales y los receptores metabotrópicos se asocian con una transmisión lenta de señales. Los receptores metabotrópicos cubren una amplia variedad de receptores de la superficie celular con cascadas de señalización notablemente diferentes . [ 15]
Los receptores ionotrópicos , también conocidos como canales iónicos activados por ligando , son receptores de acción rápida que median la función neural y fisiológica mediante el flujo de canales iónicos con unión a ligando. Los receptores nicotínicos, GABA y glutamato se encuentran entre algunos de los receptores de la superficie celular regulados por el flujo de canales iónicos activados por ligando. GABA es el principal neurotransmisor inhibidor del cerebro y el glutamato es el principal neurotransmisor excitador del cerebro. [1]
Se sabe que los receptores GABA A y GABA C son ionotrópicos, mientras que el receptor GABA B es metabotrópico. Los receptores GABA A median respuestas inhibidoras rápidas en el sistema nervioso central (SNC) y se encuentran en las neuronas, las células gliales y las células de la médula suprarrenal . Es responsable de inducir la entrada de iones Cl- al interior de las células, reduciendo así la probabilidad de que se produzca una despolarización de la membrana tras la llegada de un potencial graduado o un potencial de acción. Los receptores GABA también pueden interactuar con ligandos no endógenos para influir en la actividad. Por ejemplo, el compuesto diazepam (comercializado como Valium) es un agonista alostérico que aumenta la afinidad del receptor por GABA. El aumento de los efectos inhibidores fisiológicos resultantes del aumento de la unión de GABA hace que el diazepam sea un tranquilizante o anticonvulsivo útil (fármacos antiepilépticos). Por otro lado, los receptores GABA también pueden ser atacados disminuyendo el influjo celular de Cl- con el efecto de convulsivos como la picrotoxina . El mecanismo de acción antagonista de este compuesto no es directamente sobre el receptor GABA, pero existen otros compuestos que son capaces de inactivación alostérica, incluidos el T-butilbicicloforotionato (TBPS) y el pentilentetrazol (PZT). En comparación con el GABA A , los receptores GABA C tienen una mayor afinidad por el GABA, es probable que su actividad sea más duradera y es probable que sus respuestas sean generadas por concentraciones más bajas de GABA. [1]
Los receptores ionotrópicos de glutamato pueden incluir receptores NMDA , AMPA y kainato . Estos receptores llevan el nombre de agonistas que facilitan la actividad del glutamato. Los receptores NMDA se destacan por sus mecanismos excitadores para afectar la plasticidad neuronal en el aprendizaje y la memoria, así como en neuropatologías como el accidente cerebrovascular y la epilepsia. Los receptores NDMA tienen múltiples sitios de unión al igual que los receptores ionotrópicos GABA y pueden verse influenciados por coagonistas como el neurotransmisor glicina o la fenciclidina (PCP). Los receptores NMDA transportan corriente mediante iones Ca 2+ y pueden ser bloqueados por iones Mg 2+ extracelulares dependiendo del voltaje y el potencial de membrana. Este influjo de Ca 2+ aumenta mediante potenciales postsinápticos excitadores (EPSP) producidos por los receptores NMDA, que activan cascadas de señalización basadas en Ca 2+ (como la liberación de neurotransmisores). AMPA genera corrientes postsinápticas excitadoras más cortas y más grandes que otros receptores ionotrópicos de glutamato. [5]
Los receptores nicotínicos se unen al neurotransmisor acetilcolina (ACh) para producir un flujo de canales catiónicos no selectivo que genera respuestas postsinápticas excitadoras. La actividad de los receptores, que puede verse influenciada por el consumo de nicotina, produce sensaciones de euforia, relajación e inevitablemente adicción en niveles elevados. [5]
Los receptores metabotrópicos , son receptores de respuesta lenta en las células postsinápticas. Normalmente, estas respuestas lentas se caracterizan por cambios bioquímicos intracelulares más elaborados. Las respuestas de captación de neurotransmisores por parte de los receptores metabotrópicos pueden resultar en la activación de enzimas intracelulares y cascadas que involucran segundos mensajeros, como es el caso de los receptores unidos a proteína G. Varios receptores metabotrópicos pueden incluir ciertos receptores de glutamato, receptores muscarínicos de ACh, receptores GABA B y receptores tirosina quinasas .
La cascada de señalización ligada a la proteína G puede amplificar significativamente la señal de un neurotransmisor en particular para producir de cientos a miles de segundos mensajeros en una célula. El mecanismo de acción por el cual los receptores ligados a la proteína G provocan una cascada de señalización es el siguiente:
Los neurotransmisores se liberan en paquetes discretos conocidos como cuantos desde el terminal del axón de una neurona hasta las dendritas de otra a través de una sinapsis . Estos cuantos han sido identificados mediante microscopía electrónica como vesículas sinápticas . Dos tipos de vesículas son las pequeñas vesículas sinápticas (SSV), que tienen entre 40 y 60 nm de diámetro, y las grandes vesículas de núcleo denso (LDCV), vesículas densas en electrones de aproximadamente 120 a 200 nm de diámetro. [1] El primero se deriva de los endosomas y alberga neurotransmisores como la acetilcolina , el glutamato , el GABA y la glicina . Este último deriva del aparato de Golgi y alberga neurotransmisores más grandes, como las catecolaminas y otros neurotransmisores peptídicos . [7] Los neurotransmisores se liberan desde la terminal del axón y se unen a las dendritas postsinápticas en la siguiente procesión: [5]
La liberación de neurotransmisores depende de un suministro externo de iones Ca 2+ que ingresan a los terminales de los axones a través de canales de calcio dependientes de voltaje . La fusión vesicular con la membrana terminal y la liberación del neurotransmisor es causada por la generación de gradientes de Ca 2+ inducidos por potenciales de acción entrantes . Los iones Ca 2+ provocan la movilización de vesículas recién sintetizadas a partir de un conjunto de reserva para sufrir esta fusión de membranas. Este mecanismo de acción fue descubierto en los axones gigantes de los calamares. [8] La reducción de los iones de Ca 2+ intracelular proporciona un efecto inhibidor directo sobre la liberación de neurotransmisores. [1] Después de que se produce la liberación del neurotransmisor, las membranas vesiculares se reciclan a sus orígenes de producción. Los canales de iones de calcio pueden variar según la ubicación de incidencia. Por ejemplo, los canales en la terminal de un axón difieren de los canales de calcio típicos de un cuerpo celular (ya sean neurales o no). Incluso en las terminales de los axones, los tipos de canales de iones de calcio pueden variar, como es el caso de los canales de calcio de tipo P ubicados en la unión neuromuscular . [1]
Las diferencias en la determinación del sexo están controladas por los cromosomas sexuales . La liberación de hormonas sexuales tiene un efecto significativo sobre los dimorfismos sexuales (diferenciación fenotípica de las características sexuales) del cerebro. Estudios recientes parecen sugerir que regular estos dimorfismos tiene implicaciones para comprender la función cerebral normal y anormal. Los dimorfismos sexuales pueden verse significativamente influenciados por la expresión de genes cerebrales basados en el sexo, que varía de una especie a otra.
Se han utilizado modelos animales como roedores, Drosophila melanogaster y Caenorhabditis elegans para observar los orígenes y/o el alcance del sesgo sexual en el cerebro frente a las gónadas productoras de hormonas de un animal. En los roedores, los estudios sobre la manipulación genética de los cromosomas sexuales dieron como resultado un efecto en un sexo completamente opuesto al efecto en el otro sexo. Por ejemplo, la desactivación de un gen concreto sólo provocaba efectos similares a los de la ansiedad en los hombres. Con estudios sobre D. menlanogaster se descubrió que se producía un gran sesgo de expresión sexual en el cerebro incluso después de que se eliminaran las gónadas, lo que sugiere que el sesgo sexual podría ser independiente del control hormonal en ciertos aspectos. [9]
La observación de genes con sesgo sexual tiene el potencial de tener importancia clínica en la observación de la fisiología del cerebro y la posibilidad de trastornos neurológicos relacionados (ya sea directa o indirectamente). Ejemplos de enfermedades con sesgos sexuales en el desarrollo incluyen la enfermedad de Huntington , la isquemia cerebral y la enfermedad de Alzheimer . [9]
Muchas funciones cerebrales pueden verse influenciadas a nivel celular y molecular por variaciones y cambios en la expresión genética, sin alterar la secuencia del ADN en un organismo. Esto también se conoce como regulación epigenética . Ejemplos de mecanismos epigenéticos incluyen modificaciones de histonas y metilación del ADN . Se ha descubierto que estos cambios tienen una gran influencia en la incidencia de enfermedades cerebrales, enfermedades mentales y adicciones. [10] Se ha demostrado que el control epigenético está involucrado en altos niveles de plasticidad en el desarrollo temprano, definiendo así su importancia en el período crítico de un organismo. [11] Ejemplos de cómo los cambios epigenéticos pueden afectar el cerebro humano son los siguientes:
La excitotoxicidad es un fenómeno en el que los receptores de glutamato se activan de forma inadecuada. Puede ser causado por una transmisión sináptica excitadora prolongada en la que los niveles altos del neurotransmisor glutamato provocan una activación excesiva en una neurona postsináptica que puede provocar la muerte de la neurona postsináptica. Después de una lesión cerebral (como por isquemia ), se ha descubierto que la excitotoxicidad es una causa importante de daño neuronal. Esto puede ser comprensible en el caso en que la perfusión repentina de sangre después de un flujo sanguíneo reducido al cerebro pueda resultar en una actividad sináptica excesiva causada por la presencia de un aumento de glutamato y aspartato durante el período de isquemia. [5] [13]
La enfermedad de Alzheimer es la enfermedad neurodegenerativa más común y es la forma más común de demencia en los ancianos. El trastorno se caracteriza por una pérdida progresiva de la memoria y de diversas funciones cognitivas. Se plantea la hipótesis de que el depósito de péptido β-amiloide (40-42 residuos de aminoácidos) en el cerebro es fundamental en la incidencia de la enfermedad de Alzheimer. Se supone que la acumulación bloquea la potenciación a largo plazo del hipocampo . También es posible que un receptor para oligómeros de β-amiloide sea una proteína priónica . [14]
La enfermedad de Parkinson es la segunda enfermedad neurodegenerativa más común después de la enfermedad de Alzheimer. Es una enfermedad de los ganglios basales con movimiento hipocinético causada por la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra del cerebro humano. Por lo tanto, el flujo inhibidor de los ganglios basales no disminuye y, por lo tanto, las neuronas motoras superiores , mediadas por el tálamo , no se activan de manera oportuna. Los síntomas específicos incluyen rigidez, problemas posturales, movimientos lentos y temblores. El bloqueo de la entrada del receptor GABA desde las neuronas espinosas medias a las células reticuladas provoca una inhibición de las neuronas motoras superiores similar a la inhibición que se produce en la enfermedad de Parkinson. [5]
La enfermedad de Huntington es una enfermedad de los ganglios basales con movimiento hipercinético causada por la falta de aferencias inhibidoras normales de las neuronas espinosas medias de los ganglios basales. Esto plantea efectos opuestos a los asociados con la enfermedad de Parkinson, incluida la activación inapropiada de las neuronas motoras superiores . Al igual que con los mecanismos GABAérgicos observados en relación con la enfermedad de Parkinson, un agonista de GABA inyectado en la sustancia negra pars reticulata disminuye la inhibición de las neuronas motoras superiores, lo que resulta en movimientos motores balísticos involuntarios, similares a los síntomas de la enfermedad de Huntington. [5]