Circuitos neuronales – Comprendiendo las redes del cerebro y el sistema nervioso
Bienvenido a Circuitos Neuronales, un sitio dedicado al estudio de los circuitos neuronales: su anatomía, función, papel en los comportamientos, técnicas de investigación y aplicaciones en neurociencia.
Fisiología neuronal
El tejido nervioso está compuesto principalmente por dos tipos de células: las neuronas y las células gliales.
La neurona es la unidad estructural y funcional fundamental del sistema nervioso. Es una célula altamente especializada y diferenciada, responsable de conducir los impulsos nerviosos. La neurona consta de un cuerpo celular del que se extienden dos tipos de prolongaciones: las dendritas y un axón. Estas prolongaciones forman las fibras nerviosas, que pueden estar rodeadas por una cubierta protectora llamada vaina de mielina, una sustancia blanca y grasa que aísla y mejora la transmisión de las señales.
Tipos de neuronas
Clasificación estructural:
| Clasificación funcional de las neuronas:
|
Células gliales
Las células gliales forman un tejido estrechamente asociado con las neuronas. Brindan soporte estructural y aislamiento dentro del sistema nervioso central (SNC), cumpliendo funciones similares a las del tejido conectivo, incluyendo el soporte, el intercambio y la nutrición.
En el SNC, hay cuatro tipos principales de células gliales:
- Astrocitos: estas células desempeñan un papel clave en la nutrición de las neuronas. Presentan numerosos procesos ramificados que se extienden en todas direcciones, enviando proyecciones hacia los vasos sanguíneos para facilitar el intercambio entre la sangre y el tejido nervioso.
- Oligodendrocitos: se encuentran en el SNC y son responsables de producir mielina; exhiben un movimiento rítmico.
- Células microgliales: son los macrófagos del tejido nervioso; eliminan desechos y restos celulares. Pueden migrar según sea necesario hacia los sitios donde debe eliminarse el material celular.
- Células ependimarias: son células de aspecto epitelial que forman el revestimiento de los ventrículos cerebrales y del canal central de la médula espinal.
En el sistema nervioso periférico (SNP) se encuentran dos tipos de células gliales:
- Células de Schwann (neurolemocitos): participan en la producción de mielina en el SNP.
- Células satélite: brindan soporte y regulan el entorno alrededor de los cuerpos celulares de las neuronas en los ganglios.
Transmisión del impulso nervioso
Al igual que todas las células del cuerpo, la membrana de la neurona está polarizada: el exterior es positivo y el interior es negativo. Esta polaridad se debe a un gradiente de concentración de iones sodio (Na⁺) y potasio (K⁺) a ambos lados de la membrana plasmática. En reposo, este gradiente se mantiene gracias a la bomba Na⁺/K⁺ ATPasa, lo que da lugar a un potencial de reposo de aproximadamente -70 mV.
Cuando la permeabilidad de la membrana a ciertos iones cambia momentáneamente, se producen intercambios iónicos a través de la membrana, lo que conduce a una despolarización. Si la despolarización alcanza un nivel suficiente, desencadena un potencial de acción, una onda de despolarización que viaja a lo largo del axón. Esta despolarización en movimiento...
Potencial de acción
Un potencial de acción es una característica de las células excitables y consiste en una rápida despolarización seguida de una repolarización de la membrana. Ocurre en cuatro fases clave:
1️⃣ Despolarización (fase ascendente)
Después de la estimulación, los canales de sodio dependientes de voltaje se abren rápidamente, permitiendo la entrada masiva de iones sodio a la célula. El potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio del sodio (+65 mV), aunque no lo alcanza completamente.
2️⃣ Repolarización
Los canales de sodio se cierran y se abren los canales de potasio dependientes de voltaje. El potasio sale de la célula, restaurando el potencial de membrana hacia su estado de reposo.
3️⃣ Hiperpolarización
La conductancia de potasio permanece elevada por un corto tiempo, lo que hace que el potencial de membrana descienda por debajo del nivel normal de reposo (alrededor de -75 mV).
4️⃣ Retorno al potencial de reposo
La bomba Na⁺/K⁺ ATPasa restaura la distribución original de iones, expulsando Na⁺ y trayendo K⁺ de vuelta. Esto permite que el potencial de acción se propague a lo largo de la neurona, formando la base física del impulso nervioso.
Propiedades del potencial de acción
🔹 Umbral: La intensidad mínima del estímulo necesaria para desencadenar un potencial de acción.
🔹 Ley del todo o nada: Una vez alcanzado el umbral, el potencial de acción ocurre completamente, independientemente de la intensidad del estímulo.
🔹 Sumación:
Sumación temporal: Dos estímulos subumbrales próximos en el tiempo pueden combinarse para desencadenar un potencial de acción.
Sumación espacial: Dos estímulos subumbrales provenientes de lugares cercanos pueden combinarse para provocar una respuesta.
Periodos refractarios
🔸 Periodo refractario absoluto: No se puede generar un potencial de acción, sin importar la fuerza del estímulo (los canales de Na⁺ están inactivados).
🔸 Periodo refractario relativo: Un estímulo más fuerte de lo normal puede desencadenar un potencial de acción mientras la membrana regresa al estado de reposo.
➡ Estos periodos aseguran que el impulso viaje solo en una dirección a lo largo de la neurona.
Transmisión sináptica y neuromuscular
El impulso nervioso se transmite a otra neurona o a una célula efectora (por ejemplo, músculo o glándula) en una unión especializada llamada sinapsis.
👉 Tipos de sinapsis
- Sinapsis eléctrica: Transmisión directa de impulsos a través de uniones gap (poco frecuente en mamíferos).
- Sinapsis química: Involucra neurotransmisores que atraviesan una hendidura sináptica entre las membranas presináptica y postsináptica.
👉 Componentes de la sinapsis química
- Membrana presináptica: Contiene vesículas llenas de neurotransmisores.
- Hendidura sináptica: Espacio entre las dos células.
- Membrana postsináptica: Contiene receptores para el neurotransmisor.
Cómo funciona una sinapsis química
1️⃣ El potencial de acción llega al terminal del axón, abriendo canales de calcio dependientes de voltaje.
2️⃣ El calcio entra en la neurona presináptica, desencadenando la exocitosis de neurotransmisores en la hendidura sináptica.
3️⃣ El neurotransmisor se une a receptores en la membrana postsináptica, alterando la permeabilidad iónica y el potencial de membrana.
➡ Los neurotransmisores inhibitorios (por ejemplo, GABA) abren canales de cloro, hiperpolarizando la membrana postsináptica.
➡ Los neurotransmisores excitatorios (por ejemplo, glutamato, acetilcolina) abren canales de sodio, despolarizando la membrana y posiblemente desencadenando un potencial de acción.
Cultivo celular y formación de sinapsis in vitro
Qué es el cultivo de sinapsis?
El cultivo celular de sinapsis se refiere a técnicas de laboratorio que permiten que las neuronas crezcan y formen conexiones sinápticas funcionales fuera del organismo, en un ambiente artificial controlado (in vitro). Estos modelos son fundamentales para estudiar los mecanismos moleculares, eléctricos y bioquímicos de la formación, función y plasticidad sináptica.
🔬 ¿Por qué cultivar sinapsis?
El cultivo sináptico proporciona:
- Un ambiente simplificado y controlado para estudiar el desarrollo neuronal y la conectividad sináptica.
- La capacidad de observar la formación, maduración y eliminación de sinapsis.
- Una plataforma para pruebas farmacológicas (por ejemplo, fármacos que afectan la transmisión sináptica).
- Información sobre defectos sinápticos en enfermedades neurológicas (por ejemplo, autismo, epilepsia, neurodegeneración).
🧠 Fuentes comunes de neuronas para cultivo sináptico
- Neuronas primarias: obtenidas de cerebros embrionarios o neonatales de roedores (por ejemplo, hipocampo, corteza, médula espinal).
- Neuronas derivadas de células madre pluripotentes inducidas humanas (iPSC): células reprogramadas en neuronas, que permiten estudiar sinapsis humanas.
- Líneas de neuroblastoma o híbridas: utilizadas en ensayos simplificados o a gran escala.
🧪 Técnicas en cultivo celular sináptico
1️⃣ Preparación del sustrato
Las neuronas se cultivan sobre cubreobjetos o platos recubiertos.
Recubrimientos comunes: polilisina-D, laminina, colágeno → promueven la adhesión y el crecimiento de neuritas.
2️⃣ Medios de crecimiento
Medios especializados neurobasales o libres de suero suplementados con:
- B27 o N2
- Glutamina
- Antibióticos
- Factores de crecimiento (por ejemplo, BDNF, NGF) en algunos protocolos
3️⃣ Formación de sinapsis
Después de unos días en cultivo, las neuronas extienden axones y dendritas.
Las sinapsis comienzan a formarse en puntos de contacto entre axones y dendritas (visualizadas con marcadores fluorescentes como sinapsina, PSD-95).
Sinapsis funcionales se confirman mediante:
- Imagen de calcio
- Electrofoisiología patch-clamp
- Ensayos de captación/liberación con colorantes FM
4️⃣ Sistemas de co-cultivo
- Co-cultivos neurona-glía: astroglía u oligodendrocitos que apoyan la maduración y mantenimiento de sinapsis.
- Co-cultivos neuromusculares: las neuronas forman sinapsis sobre fibras musculares → usados para estudiar la unión neuromuscular.
⚡ Aplicaciones del cultivo sináptico
- Estudio de la plasticidad sináptica (p. ej., potenciación o depresión a largo plazo).
- Modelado de enfermedades neurológicas (Alzheimer, esquizofrenia).
- Cribado de compuestos sinaptotóxicos o neuroprotectores.
- Investigación del desarrollo y poda sináptica.
- Análisis de efectos de edición genética (neurona modificadas con CRISPR).
🧫 Ejemplo: Imagen de sinapsis en cultivo
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Inmunotinción de:
- Marcadores presinápticos: Sinapsina, sinaptófisin.
- Marcadores postsinápticos: PSD-95, Gephyrin.
- Microscopía confocal o de superresolución para visualizar y cuantificar contactos sinápticos.
🌟 Ventajas del cultivo de sinapsis
✅ Visualización directa de estructuras sinápticas.
✅ Control fino de variables experimentales.
✅ Accesibilidad para manipulación genética (vectores virales, transfección).
✅ Alternativa ética a modelos animales para ciertos estudios.
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