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Psique

Los nanofilamentos terminales nerviosos controlan la señalización cerebral

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Una espectacular imagen, cuya creación tardó la mayor parte de un año, muestra la fina estructura de una terminal nerviosa en alta resolución, revelando, por primera vez, una intrincada red de finos filamentos que controlan los movimientos de las vesículas sinápticas.

El cerebro es blando y húmedo, con la consistencia de un bulto de gelatina. Sin embargo, es la estructura más compleja y altamente organizada que conocemos, que contiene cientos de miles de millones de neuronas y células gliales, y algo del orden de un billón de conexiones sinápticas, todas las cuales están dispuestas de una manera muy específica.

Este alto grado de especificidad se extiende hasta los niveles más profundos de organización cerebral. Justo debajo de la membrana en la terminal nerviosa, las vesículas sinápticas almacenan moléculas de neurotransmisores y esperan la llegada de un impulso nervioso, después de lo cual se fusionan con la membrana y liberan su contenido en la hendidura sináptica, la minúscula brecha en la unión entre las células nerviosas, y se difunden a través de él para unirse a las moléculas de proteína receptora incrustadas en la superficie de la célula asociada.

El proceso de liberación de neurotransmisores está estrechamente orquestado. Las vesículas listas se «acoplan» en la «zona activa» que se encuentra debajo de la membrana celular, y se agotan cuando se fusionan con la membrana, solo para reponerse a partir de un depósito de vesículas preparadas previamente ubicadas más dentro de la célula. Las vesículas gastadas se retiran rápidamente de la membrana, se reforman, se rellenan con moléculas de neurotransmisores y luego se devuelven al depósito para que puedan transportarse a la zona activa cuando sea necesario. Una célula nerviosa individual puede utilizar cientos, o quizás miles, de vesículas por segundo, por lo que este proceso de reciclaje se produce de forma continua para mantener la señalización entre las células nerviosas.

La terminal nerviosa contiene más de 400 proteínas diferentes, que juntas forman la exquisita maquinaria molecular que regula la fusión, el reciclaje y los movimientos de las vesículas sinápticas entre el reservorio, la zona activa y la membrana celular. Aunque los métodos moleculares modernos han revelado mucho sobre la identidad y función de muchas de estas proteínas, todavía sabemos muy poco sobre cómo están organizadas en la terminal nerviosa, porque las estructuras que forman son extremadamente frágiles y los investigadores carecían de formas adecuadas de estudiándolos.

Una forma de ver la estructura fina de las sinapsis es la microscopía electrónica. Esta técnica, desarrollada en la década de 1930, permitió a los investigadores examinar las sinapsis y otras estructuras neuronales con un detalle sin precedentes, pero solo puede capturar imágenes en la superficie del espécimen que se está estudiando. Los avances recientes en este método ahora permiten acceder y visualizar estructuras que se encuentran más profundamente dentro de las sinapsis.

Andy Cole, del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (NINDS) en Bethesda, Maryland, y sus colegas explotaron estos avances para producir reconstrucciones tridimensionales de toda la nube de vesículas sinápticas que se encuentran dentro de 250 nanómetros (nm o mil millonésimas de metro). de la zona activa en las sinapsis excitadoras de las neuronas del hipocampo disecadas de los cerebros de ratas adultas.

«Hay dos desafíos cuando se trata de estructuras finas: preservar la estructura y extraer los detalles», dice Cole. “Congelamos la muestra en milisegundos, a muy baja temperatura y muy alta presión, lo que nos da una instantánea en el tiempo de la sinapsis con poca o ninguna distorsión. Luego, incrustamos la muestra en plástico, para que podamos disparar la muestra con un haz de electrones de muy alta energía sin destruir la estructura «.

“Para extraer más detalles de nuestra muestra, tomamos más de cien imágenes desde diferentes ángulos, produciendo un bloque de datos en lugar de una imagen 2D”, agrega, explicando que la diferencia entre este método y la microscopía electrónica convencional “es análoga a la diferencia entre una radiografía y una resonancia magnética ”.

Sus resultados, publicados recientemente en el Revista de neurociencia, muestran que tres tipos diferentes de filamentos entran en contacto con vesículas sinápticas en la terminal nerviosa, que se distinguen principalmente por su forma y longitud. Un tipo parece ser recto, con una longitud promedio de 22 nm, y tiene una base esférica que lo conecta a la membrana en la zona activa. Estos son filamentos de ‘acoplamiento’, cada uno de los cuales contacta con una única vesícula y la mantiene en su lugar para que esté lista para fusionarse con la membrana (que se muestra en verde en la imagen de arriba).

Un segundo tipo es un poco más largo y también recto, pero algo más grueso y carece de base esférica; estos filamentos «puente» conectan pares de vesículas acopladas en la zona activa y constituyen casi dos tercios de la población total de filamentos que se ven (mostrados en violeta). El tercer tipo es aún más largo y se caracteriza por numerosos parientes y ramas; estos filamentos de «racimo» (representados en oro y blanco) conectan múltiples vesículas entre sí y también a la membrana.

El proceso de recopilar estos datos y reproducirlos para producir las reconstrucciones es extremadamente laborioso y requiere mucho tiempo. «Desde el momento en que se tiene un conjunto de datos a mano hasta el renderizado terminado, puede llevar hasta un año», dice Cole, «[because] Dar sentido a las representaciones lleva unos meses y al menos otro conjunto de datos. Limitar la cantidad de objetos renderizados acelera las cosas, por lo que decidimos limitar la profundidad a la que renderizamos en la terminal presináptica «.

Aunque el papel de cada tipo de filamento se puede inferir de su estructura y posicionamiento, la función exacta de cada uno aún no está del todo clara. La composición molecular de los filamentos, la identidad de las proteínas que componen cada uno, también queda por determinar. También es importante recordar que hay muchos tipos diferentes de sinapsis en el cerebro: Cole y sus colegas examinaron las terminales nerviosas en el hipocampo de rata que liberan glutamato, pero las terminales en otras partes del cerebro, y las que liberan otros neurotransmisores, bien podrían organizarse de manera diferente.

Además, todas estas estructuras son partes móviles, y el método utilizado captura solo una instantánea en el tiempo, pero los avances adicionales en técnicas como la microscopía de súper resolución pueden eventualmente permitir a los investigadores observarlas en acción en células vivas. “Tenemos muchos más conjuntos de datos en espera de análisis, y estoy seguro de que aquellos que tengan la paciencia de mirar, aún pueden hacer muchos más descubrimientos”, dice Cole.

Referencia

Cole, AA, et al. (2016). Una red de tres tipos de filamentos organiza las vesículas sinápticas para el almacenamiento, la movilización y el acoplamiento. J. Neurosci. 36: 3222–3230 [Abstract]