Las sinapsis químicas son uniones biológicas a través de las cuales las señales de las neuronas pueden enviarse entre sí y a células no neuronales como las de los músculos o las glándulas . Las sinapsis químicas permiten que las neuronas formen circuitos dentro del sistema nervioso central . Son cruciales para los cálculos biológicos que subyacen a la percepción y el pensamiento . Permiten que el sistema nervioso se conecte y controle otros sistemas del cuerpo.
En una sinapsis química, una neurona libera moléculas de neurotransmisores en un espacio pequeño (la hendidura sináptica) adyacente a otra neurona. Los neurotransmisores están contenidos dentro de pequeños sacos llamados vesículas sinápticas y se liberan en la hendidura sináptica mediante exocitosis . Luego, estas moléculas se unen a los receptores de neurotransmisores en la célula postsináptica. Finalmente, los neurotransmisores se eliminan de la sinapsis a través de uno de varios mecanismos potenciales que incluyen la degradación enzimática o la recaptación por transportadores específicos ya sea en la célula presináptica o en alguna otra neuroglia para terminar la acción del neurotransmisor.
Se estima que el cerebro humano adulto contiene de 10 14 a 5 × 10 14 (100 a 500 billones) de sinapsis. [1] Cada milímetro cúbico de corteza cerebral contiene aproximadamente mil millones ( escala corta , es decir, 10 9 ) de ellos. [2] El número de sinapsis en la corteza cerebral humana se ha estimado por separado en 0,15 cuatrillones (150 billones) [3]
La palabra "sinapsis" fue introducida por Sir Charles Scott Sherrington en 1897. [4] Las sinapsis químicas no son el único tipo de sinapsis biológica : también existen sinapsis eléctricas e inmunológicas . Sin embargo, sin un calificativo, "sinapsis" comúnmente se refiere a sinapsis químicas.
Las sinapsis son conexiones funcionales entre neuronas o entre neuronas y otros tipos de células. [5] [6] Una neurona típica genera varios miles de sinapsis, aunque hay algunos tipos que generan muchas menos. [7] La mayoría de las sinapsis conectan los axones con las dendritas , [8] [9] pero también hay otros tipos de conexiones, incluyendo axón-cuerpo celular, [10] [11] axón-axón, [10] [ 11] y dendrita a dendrita . [9] Las sinapsis son generalmente demasiado pequeñas para ser reconocibles usando un microscopio óptico , excepto como puntos donde las membranas de dos células parecen tocarse, pero sus elementos celulares se pueden visualizar claramente usando un microscopio electrónico .
Las sinapsis químicas pasan información direccionalmente desde una célula presináptica a una célula postsináptica y, por lo tanto, son asimétricas en estructura y función. El axón terminal presináptico o sinápticobouton, es un área especializada dentro del axón de la célula presináptica que contiene neurotransmisores encerrados en pequeñas esferas unidas a una membrana llamadas vesículas sinápticas (así como otras estructuras y orgánulos de soporte, como las mitocondrias y el retículo endoplásmico ). Las vesículas sinápticas están acopladas a la membrana plasmática presináptica en regiones llamadas zonas activas .
Inmediatamente enfrente hay una región de la célula postsináptica que contiene receptores de neurotransmisores ; para las sinapsis entre dos neuronas, la región postsináptica puede encontrarse en las dendritas o el cuerpo celular. Inmediatamente detrás de la membrana postsináptica hay un elaborado complejo de proteínas interconectadas llamado densidad postsináptica (PSD).
Las proteínas del PSD participan en el anclaje y el tráfico de receptores de neurotransmisores y en la modulación de la actividad de estos receptores. Los receptores y PSD se encuentran a menudo en protuberancias especializadas del eje dendrítico principal llamadas espinas dendríticas .
Las sinapsis pueden describirse como simétricas o asimétricas. Cuando se examinan con un microscopio electrónico, las sinapsis asimétricas se caracterizan por vesículas redondeadas en la célula presináptica y una densidad postsináptica prominente. Las sinapsis asimétricas suelen ser excitadoras. Por el contrario, las sinapsis simétricas tienen vesículas aplanadas o alargadas y no contienen una densidad postsináptica prominente. Las sinapsis simétricas suelen ser inhibidoras.
La hendidura sináptica , también llamada brecha sináptica , es una brecha entre las células pre y postsinápticas que tiene aproximadamente 20 nm (0,02 μ) de ancho. [12] El pequeño volumen de la hendidura permite que la concentración de neurotransmisores aumente y disminuya rápidamente. [13]
Una autapsis es una sinapsis química (o eléctrica) que se forma cuando el axón de una neurona hace sinapsis con sus propias dendritas.
A continuación se presenta un resumen de la secuencia de eventos que tienen lugar en la transmisión sináptica desde una neurona presináptica a una célula postsináptica. Cada paso se explica con más detalle a continuación. Tenga en cuenta que, con la excepción del paso final, el proceso completo puede durar sólo unos pocos cientos de microsegundos, en las sinapsis más rápidas. [14]
La liberación de un neurotransmisor se desencadena por la llegada de un impulso nervioso (o potencial de acción ) y se produce mediante un proceso inusualmente rápido de secreción celular ( exocitosis ). Dentro de la terminal nerviosa presináptica, las vesículas que contienen neurotransmisores se localizan cerca de la membrana sináptica. El potencial de acción que llega produce una afluencia de iones de calcio a través de canales iónicos selectivos de calcio dependientes del voltaje en el recorrido descendente del potencial de acción (corriente de cola). [15] Los iones de calcio luego se unen a las proteínas sinaptotagmina que se encuentran dentro de las membranas de las vesículas sinápticas, lo que permite que las vesículas se fusionen con la membrana presináptica. [16] La fusión de una vesícula es un proceso estocástico , que conduce a fallas frecuentes de la transmisión sináptica en las sinapsis muy pequeñas que son típicas del sistema nervioso central . Las sinapsis químicas grandes (por ejemplo, la unión neuromuscular ), por otro lado, tienen una probabilidad de liberación sináptica, en efecto, de 1. La fusión de vesículas es impulsada por la acción de un conjunto de proteínas en la terminal presináptica conocidas como SNARE . En su conjunto, el complejo o estructura proteica que media el acoplamiento y fusión de las vesículas presinápticas se denomina zona activa. [17] La membrana agregada por el proceso de fusión se recupera posteriormente mediante endocitosis y se recicla para la formación de vesículas frescas llenas de neurotransmisores.
Una excepción a la tendencia general de liberación de neurotransmisores mediante fusión vesicular se encuentra en las células receptoras de tipo II de las papilas gustativas de los mamíferos . Aquí el neurotransmisor ATP se libera directamente desde el citoplasma hacia la hendidura sináptica a través de canales regulados por voltaje. [18]
Los receptores en el lado opuesto de la brecha sináptica se unen a las moléculas de neurotransmisores. Los receptores pueden responder de dos maneras generales. En primer lugar, los receptores pueden abrir directamente canales iónicos activados por ligandos en la membrana celular postsináptica, lo que hace que los iones entren o salgan de la célula y cambien el potencial transmembrana local . [14] El cambio de voltaje resultante se llama potencial postsináptico . En general, el resultado es excitador en el caso de corrientes despolarizantes e inhibidor en el caso de corrientes hiperpolarizantes . El hecho de que una sinapsis sea excitadora o inhibidora depende de qué tipo(s) de canal iónico conducen las corrientes postsinápticas, lo que a su vez es una función del tipo de receptores y neurotransmisores empleados en la sinapsis. La segunda forma en que un receptor puede afectar el potencial de membrana es modulando la producción de mensajeros químicos dentro de la neurona postsináptica. Estos segundos mensajeros pueden luego amplificar la respuesta inhibidora o excitadora a los neurotransmisores. [14]
Después de que una molécula de neurotransmisor se une a una molécula de receptor, debe eliminarse para permitir que la membrana postsináptica continúe transmitiendo EPSP y/o IPSP posteriores . Esta eliminación puede ocurrir a través de uno o más procesos:
La fuerza de una sinapsis ha sido definida por Bernard Katz como el producto de la probabilidad de liberación (presináptica) pr , el tamaño cuántico q (la respuesta postsináptica a la liberación de una única vesícula de neurotransmisor, un 'cuanto'), y n , el número de sitios de liberación. La "conexión unitaria" generalmente se refiere a un número desconocido de sinapsis individuales que conectan una neurona presináptica con una neurona postsináptica. La amplitud de los potenciales postsinápticos (PSP) puede ser desde 0,4 mV hasta 20 mV. [20] La amplitud de una PSP puede ser modulada por neuromoduladores o puede cambiar como resultado de una actividad previa. Los cambios en la fuerza sináptica pueden ser de corta duración, con una duración de segundos a minutos, o de largo plazo ( potenciación a largo plazo , o LTP), con una duración de horas. Se cree que el aprendizaje y la memoria son el resultado de cambios a largo plazo en la fuerza sináptica, a través de un mecanismo conocido como plasticidad sináptica .
La desensibilización de los receptores postsinápticos es una disminución en respuesta al mismo estímulo del neurotransmisor. Significa que la fuerza de una sinapsis puede, de hecho, disminuir a medida que llega un tren de potenciales de acción en rápida sucesión, un fenómeno que da lugar a la llamada dependencia de la frecuencia de las sinapsis. El sistema nervioso explota esta propiedad con fines computacionales y puede sintonizar sus sinapsis mediante medios como la fosforilación de las proteínas involucradas.
La transmisión sináptica puede modificarse por actividad previa. Estos cambios se denominan plasticidad sináptica y pueden provocar una disminución de la eficacia de la sinapsis, denominada depresión, o un aumento de la eficacia, denominada potenciación. Estos cambios pueden ser de corto o largo plazo. Las formas de plasticidad a corto plazo incluyen fatiga o depresión sináptica y aumento sináptico . Las formas de plasticidad a largo plazo incluyen la depresión y la potenciación a largo plazo . La plasticidad sináptica puede ser homosináptica (que ocurre en una sola sinapsis) o heterosináptica (que ocurre en múltiples sinapsis).
La plasticidad homosináptica (o también la modulación homotrópica) es un cambio en la fuerza sináptica que resulta de la historia de actividad en una sinapsis particular. Esto puede deberse a cambios en el calcio presináptico, así como a la retroalimentación sobre los receptores presinápticos, es decir, una forma de señalización autocrina . La plasticidad homosináptica puede afectar el número y la tasa de reposición de las vesículas o puede afectar la relación entre el calcio y la liberación de vesículas. La plasticidad homosináptica también puede ser de naturaleza postsináptica. Puede resultar en un aumento o disminución de la fuerza sináptica.
Un ejemplo son las neuronas del sistema nervioso simpático (SNS), que liberan noradrenalina , que, además de afectar a los receptores postsinápticos, también afecta a los receptores adrenérgicos α2 presinápticos , inhibiendo una mayor liberación de noradrenalina. [21] Este efecto se utiliza con clonidina para realizar efectos inhibidores en el SNS.
La plasticidad heterosináptica (o también modulación heterotrópica) es un cambio en la fuerza sináptica que resulta de la actividad de otras neuronas. Nuevamente, la plasticidad puede alterar el número de vesículas o su tasa de reposición o la relación entre calcio y liberación de vesículas. Además, podría afectar directamente la entrada de calcio. La plasticidad heterosináptica también puede ser de naturaleza postsináptica y afectar la sensibilidad del receptor.
Un ejemplo son nuevamente las neuronas del sistema nervioso simpático , que liberan noradrenalina , que, además, genera un efecto inhibidor sobre las terminales presinápticas de las neuronas del sistema nervioso parasimpático . [21]
En general, si una sinapsis excitatoria es lo suficientemente fuerte, un potencial de acción en la neurona presináptica desencadenará un potencial de acción en la célula postsináptica. En muchos casos, el potencial postsináptico excitador (EPSP) no alcanzará el umbral para provocar un potencial de acción. Cuando los potenciales de acción de múltiples neuronas presinápticas se activan simultáneamente, o si una sola neurona presináptica se activa a una frecuencia suficientemente alta, los EPSP pueden superponerse y sumarse. Si se superponen suficientes EPSP, el EPSP sumado puede alcanzar el umbral para iniciar un potencial de acción. Este proceso se conoce como suma y puede servir como filtro de paso alto para las neuronas. [22]
Por otro lado, una neurona presináptica que libera un neurotransmisor inhibidor, como el GABA , puede provocar un potencial postsináptico inhibidor (IPSP) en la neurona postsináptica, alejando el potencial de membrana del umbral, disminuyendo su excitabilidad y haciendo más difícil su la neurona para iniciar un potencial de acción. Si un IPSP se superpone con un EPSP, en muchos casos el IPSP puede evitar que la neurona active un potencial de acción. De esta manera, la salida de una neurona puede depender de la entrada de muchas neuronas diferentes, cada una de las cuales puede tener un grado diferente de influencia, dependiendo de la fuerza y el tipo de sinapsis con esa neurona. John Carew Eccles realizó algunos de los primeros experimentos importantes sobre la integración sináptica, por los que recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1963.
Cuando un neurotransmisor se libera en una sinapsis, alcanza su concentración más alta dentro del estrecho espacio de la hendidura sináptica, pero es seguro que parte de él se difundirá antes de ser reabsorbido o descompuesto. Si se difunde, tiene el potencial de activar receptores que se encuentran en otras sinapsis o en la membrana alejada de cualquier sinapsis. La actividad extrasináptica de un neurotransmisor se conoce como transmisión de volumen . [23] Está bien establecido que tales efectos ocurren hasta cierto punto, pero su importancia funcional ha sido durante mucho tiempo un tema de controversia. [24]
Trabajos recientes indican que la transmisión de volumen puede ser el modo de interacción predominante para algunos tipos especiales de neuronas. En la corteza cerebral de los mamíferos, una clase de neuronas llamadas células neurogliaformes pueden inhibir otras neuronas corticales cercanas liberando el neurotransmisor GABA al espacio extracelular. [25] En la misma línea, el GABA liberado por las células neurogliaformes en el espacio extracelular también actúa sobre los astrocitos circundantes , asignando un papel a la transmisión de volumen en el control de la homeostasis iónica y de los neurotransmisores. [26] Aproximadamente el 78% de los botones de células neurogliaformes no forman sinapsis clásicas. Este puede ser el primer ejemplo definitivo de neuronas que se comunican químicamente donde no hay sinapsis clásicas. [25]
Una sinapsis eléctrica es un vínculo conductor de electricidad entre dos neuronas contiguas que se forma en un espacio estrecho entre las células pre y postsinápticas , conocido como unión comunicante . En las uniones en hendidura, las células se acercan a una distancia de aproximadamente 3,5 nm entre sí, en lugar de la distancia de 20 a 40 nm que separa a las células en las sinapsis químicas. [27] [28] A diferencia de las sinapsis químicas, el potencial postsináptico en las sinapsis eléctricas no es causado por la apertura de canales iónicos por parte de transmisores químicos, sino más bien por el acoplamiento eléctrico directo entre ambas neuronas. Las sinapsis eléctricas son más rápidas que las sinapsis químicas. [13] Las sinapsis eléctricas se encuentran en todo el sistema nervioso, incluso en la retina , el núcleo reticular del tálamo , la neocorteza y el hipocampo . [29] Mientras que las sinapsis químicas se encuentran entre neuronas excitadoras e inhibidoras, las sinapsis eléctricas se encuentran más comúnmente entre neuronas inhibidoras locales más pequeñas. Pueden existir sinapsis eléctricas entre dos axones, dos dendritas o entre un axón y una dendrita. [30] [31] En algunos peces y anfibios , las sinapsis eléctricas se pueden encontrar dentro del mismo terminal de una sinapsis química, como en las células de Mauthner . [32]
Una de las características más importantes de las sinapsis químicas es que son el lugar de acción de la mayoría de las drogas psicoactivas . Las sinapsis se ven afectadas por drogas como el curare, la estricnina, la cocaína, la morfina, el alcohol, el LSD y muchas otras. Estos fármacos tienen diferentes efectos sobre la función sináptica y, a menudo, se limitan a las sinapsis que utilizan un neurotransmisor específico. Por ejemplo, el curare es un veneno que impide que la acetilcolina despolarice la membrana postsináptica, provocando parálisis . La estricnina bloquea los efectos inhibidores del neurotransmisor glicina , que hace que el cuerpo capte y reaccione a estímulos más débiles y previamente ignorados, lo que provoca espasmos musculares incontrolables . La morfina actúa sobre las sinapsis que utilizan neurotransmisores de endorfinas y el alcohol aumenta los efectos inhibidores del neurotransmisor GABA . El LSD interfiere con las sinapsis que utilizan el neurotransmisor serotonina . La cocaína bloquea la recaptación de dopamina y por tanto aumenta sus efectos.
Durante la década de 1950, Bernard Katz y Paul Fatt observaron corrientes sinápticas en miniatura espontáneas en la unión neuromuscular de la rana . [33] Basándose en estas observaciones, desarrollaron la "hipótesis cuántica" que es la base de nuestra comprensión actual de la liberación de neurotransmisores como exocitosis y por la que Katz recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1970. [34] A finales de los años 1960 , Ricardo Miledi y Katz propusieron la hipótesis de que la afluencia de iones de calcio inducida por la despolarización desencadena la exocitosis .
Sir Charles Scott Sherringtonin acuñó la palabra "sinapsis" y Sherrington contó la historia de la palabra en una carta que le escribió a John Fulton:
'Sentí la necesidad de algún nombre para llamar a la unión entre célula nerviosa y célula nerviosa... Sugerí usar "sindesmo"... Él [Sir Michael Foster ] consultó a su amigo de la Trinidad Verrall , el erudito de Eurípides , al respecto. , y Verrall sugirió "sinapsis" (del griego "cierre").'–Charles Scott Sherrington [4]
Las sinapsis conectan los axones con el cuerpo celular.
