AS DE OROS: NEURONAS, ESAS CÉLULAS MILLONARIAS, RICAS Y VALIOSAS

20.1.22

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Presentamos el As de Oros de la neurobaraja: la neurona. Hemos elegido las neuronas para representar el palo de oros en nuestra neurobaraja porque son células millonarias, ricas y muy valiosas.

Las neuronas son millonarias por su número: las últimas estimaciones basadas en el método de Suzana Herculano-Houzel cifran en 86 000 millones las neuronas de un encéfalo humano adulto. También son millonarias por la cantidad de conexiones que pueden establecer: parece que cada neurona puede recibir información a través de unas 10 000 sinapsis y enviarla a través de otras 1000. Son ricas en formas, estructuras y funciones. Y son muy valiosas, porque controlan nuestras funciones vitales y nuestra respuesta a las condiciones del entorno. ¡Acompáñanos a descubrirlas!

En el Reino Animal, el tejido nervioso asume la función de relación del organismo, que le permite recoger información del medio externo e interno para procesarla, integrarla y responder como corresponda. No todos los animales tienen neuronas (las esponjas, los mesozoos y los placozoos carecen de ellas) y tampoco todos los sistemas nerviosos son igual de complejos. El más desarrollado es el de los vertebrados, pero en su forma más sencilla pueden ser simples redes de neuronas distribuidas por el cuerpo del animal.

En los vertebrados, las neuronas y las células de la glía del tejido nervioso se agrupan para formar el sistema nervioso central —compuesto por las estructuras del encéfalo que se alojan en el cráneo (cerebro, cerebelo y bulbo raquídeo) y la médula espinal que recorre el interior de la columna vertebral— y el sistema nervioso periférico —formado por una red de nervios y ganglios que llevan el impulso nervioso a todo el cuerpo—. Ambos sistemas se coordinan permitiendo a los animales captar estímulos a través de sus órganos sensoriales y emitir señales para comunicarse con el exterior, mantener el equilibrio de su medio interno (homeostasis) y mandar información a los músculos para moverlos. Y todo esto es posible gracias a las neuronas, que son las unidades funcionales de procesamiento de la información .

El conocimiento del tejido nervioso, y de las neuronas en particular, dio un salto espectacular a raíz de las investigaciones de Santiago Ramón y Cajal, ese médico español polifacético que, a finales del siglo XIX, intuyó que el tejido nervioso teñido con la «reacción negra» [1] de Golgi no formaba una red nerviosa continua que funcionaba como un todo, como pensaban muchos científicos entonces. Cajal dedujo de sus observaciones microscópicas que las redes neuronales estaban formadas por células independientes que «se besaban» para transmitirse información en forma de impulso nervioso.

Con su microscopio óptico, Cajal fue capaz de concebir la doctrina de la neurona [2], que revolucionó el panorama científico de la época, sentó las bases de la neurociencia moderna, y justificó que en 1906 recibiera el premio Nobel de Fisiología y Medicina (curiosamente compartido con Camillo Golgi, defensor de la opuesta teoría reticularista). Medio siglo después, los avances tecnológicos le dieron la razón a Cajal tras observarse la ultraestructura del tejido nervioso con el microscopio electrónico y confirmarse que las neuronas estaban físicamente separadas por un espacio hasta unas 3500 veces más fino que un cabello (20 a 40 nanómetros), llamado espacio sináptico.

Fue Wilhelm von Waldeyer-Hartz quien llamó «neurona» a esta célula nerviosa en 1891, en claro apoyo de la teoría neuronal. Seis años después, Charles Scott Sherrington (nuestro rey de bastos de la neurobaraja 😉) llamaría sinapsis a los puntos de contacto y transmisión de información entre neuronas contiguas, y recibiría el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1932 por sus hallazgos sobre las funciones de las neuronas.

En cualquier neurona se distinguen tres partes: un eje fino o «axón» que sale del «soma» o cuerpo celular (con el núcleo y los orgánulos citoplasmáticos) rodeado de ramificaciones o «dendritas». Sin embargo, las neuronas son muy diversas pueden tener un soma de 5 micrómetros o axones gigantes con diámetro de un milímetro) porque desempeñan funciones de comunicación y regulación complicadas que requieren categorizar y asociar la información para procesarla y transmitirla lo más rápida y eficazmente posible, en forma de señales eléctricas y químicas. Para adaptarse al lugar en el que se encuentran y a la función que desempeñan, el tamaño y la forma del soma, la densidad, las características (con más o menos espinas) o la organización de las dendritas, así como la disposición, la longitud o el tipo de ramificación de los axones, son diferentes para cada tipo de neurona.

La clasificación de los diferentes tipos de neuronas puede hacerse atendiendo a distintos criterios:

Por el efecto de una neurona sobre otra, las neuronas pueden ser excitadoras, inhibidoras o neuromoduladoras (cuando influyen en la neurotransmisión).

Por el tipo de neurotransmisor que liberan para comunicarse entre sí (p. ej., las neuronas dopaminérgicas liberan dopamina, las colinérgicas liberan acetilcolina, etc.).

Por el número de prolongaciones del soma, las neuronas pueden ser unipolares, pseudounipolares, bipolares, multipolares o anaxónicas.

Por la forma del cuerpo celular existen neuronas piramidales, estrelladas, en candelabro, en cesta, fusiformes, esféricas...

Por la presencia de espinas en sus dendritas, las neuronas pueden ser espinosas o no.

Según la célula diana con la que contactan, las neuronas son sensoriales cuando comunican los órganos de los sentidos (p. ej., la piel o el ojo) con el cerebro o la médula espinal, motoneuronas si comunican el cerebro y la médula espinal con los órganos receptores (p. ej., músculos o glándulas), o interneuronas que conectan neuronas en el cerebro (sin relación con órganos sensoriales ni receptores). A veces la comunicación con las células musculares se realiza a través de unas sinapsis especializadas denominadas placas motoras.

Atendiendo a la longitud de sus prolongaciones, las neuronas de proyección establecen sinapsis con neuronas muy alejadas y las interneuronas contactan con neuronas cercanas.

El funcionamiento de la neurona se basa en los mecanismos eléctricos y químicos de su membrana plasmática [3] que la convierten en excitable y conductora. Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley propusieron en 1952 un modelo matemático para explicar los mecanismos iónicos que inician y propagan el impulso nervioso, gracias a sus trabajos con el axón gigante de calamar (que puede tener un diámetro de hasta un milímetro). Ambos compartieron en 1963 el premio Nobel de Fisiología o Medicina con Sir John Eccles, que trabajó sobre la transmisión química del impulso nervioso en las sinapsis.

Hoy sabemos que la membrana plasmática de cualquier célula crea un gradiente electroquímico entre el interior y el exterior celular por diferencias en el reparto y la concentración de iones con cargas positivas (sobre todo sodio Na+, potasio K+, calcio Ca2+) y negativas (principalmente cloro Cl—) a ambos lados de la membrana. Esta diferencia de carga genera una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) denominado potencial de membrana. En reposo, el potencial de membrana de la neurona es de —70 mV (su interior está cargado negativamente [4]). Ser excitable le permite a la neurona recibir estímulos a través de cambios bruscos en el potencial de membrana que provocan un potencial de acción suficiente para crear un impulso nervioso. Ser conductora le permite propagarlo por la membrana del axón hasta llegar a los terminales sinápticos.

Así pues, los impulsos nerviosos son intensos pero transitorios cambios del potencial de membrana que se desplazan a lo largo del axón y fluyen siempre en un sentido único, como descubrió Cajal: desde el cono axónico, donde se generan, hasta los terminales sinápticos, donde surten sus efectos (es la «ley de polarización dinámica de las células nerviosas» [2]). Los potenciales de acción son señales que se generan y se envían, a una elevada frecuencia, en series o «trenes» a lo largo de los axones [5]. Después de lanzar un potencial de acción, la neurona deja de ser receptiva a nuevas despolarizaciones y tampoco puede transmitirlas durante unas décimas de segundo (período refractario) hasta que regresa a su potencial de reposo.

La despolarización ocurre cuando la neurona en reposo recibe un estímulo químico, de temperatura, presión o eléctrico que desencadena la entrada masiva de iones positivos al interior de la neurona. Sin embargo, el estímulo debe ser lo suficientemente potente como para alcanzar un umbral mínimo (establecido en —55 mV) que inicie un potencial de acción. Por eso se dice que la transmisión del impulso nervioso sigue la «ley del todo o nada», Además, como el impulso nervioso que se produce siempre tiene la misma intensidad (no crece ni disminuye), la mayor o menor fuerza del estímulo podrá lograrse aumentando la frecuencia o la velocidad de transmisión.

Para acelerar la conducción del impulso nervioso, algunas neuronas tienen sus axones parcialmente recubiertos de mielina, una sustancia aislante que favorece la transmisión «a saltos» del impulso nervioso. En el encéfalo y la médula espinal este recubrimiento de mielina lo producen unas células gliales llamadas oligodendrocitos (de las que hablaremos en las próximas entradas), mientras que en los ganglios y nervios se encargan de hacerlo las células de Schwann.

Ahora sabemos cómo las neuronas traducen estímulos en impulsos nerviosos gracias a los fenómenos electrofisiológicos que describieron Hodgkin y Huxley, pero esto sería inútil en el sistema nervioso sin otra de las características fundamentales de la neurona: su capacidad para interconectarse con células similares gracias a unas especializaciones en sus membranas celulares denominadas sinapsis. Sin embargo, además de las sinapsis entre neuronas, las últimas investigaciones hablan de considerar además las conexiones activas entre neuronas y células gliales, así como entre células gliales y neuronas [6].

Esta capacidad de crear circuitos neuronales es la que les permite analizar y conservar información compleja, para llevar a cabo funciones sofisticadas asociadas con la inteligencia, la memoria y la voluntad. La especialización del tejido nervioso al servicio de sus necesidades de transmisión es tal, que las neuronas son capaces (con ayuda de las células gliales) de reorganizar sus conexiones remodelando los árboles dendríticos y axónicos (poda sináptica), o de variar el número o las propiedades de las sinapsis que las conectan.

La estructura donde dos neuronas contiguas intercambian información está formada por tres elementos (sinapsis tripartita, un concepto descubierto por investigadores del Instituto Cajal): la neurona presináptica o emisora, la neurona postsináptica o receptora y un astrocito, que es la célula glial que envuelve al conjunto y que se conoce como «tercer elemento».

En el cuerpo humano, la gran mayoría de las sinapsis son «sinapsis químicas». Se llaman así porque, cuando tras viajar por las ramificaciones del axón, la onda de despolarización llega a los terminales axónicos, provoca la liberación al espacio sináptico de neurotransmisores.

Los neurotransmisores son sustancias producidas por las neuronas para llevar mensajes de excitación o inhibición para provocar, o no, un nuevo impulso eléctrico en la neurona postsináptica. Actualmente se conocen unos 50 neurotransmisores diferentes. La existencia de sinapsis químicas hace que la información viaje por circuitos controlados, muy precisos y selectivos, aunque lo hace de forma más lenta que en las sinapsis eléctricas.

Las sinapsis eléctricas permiten comunicaciones más rápidas gracias a que en ellas las neuronas se comunican a través de las llamadas uniones en hendidura o uniones GAP, que conectan directamente los citoplasmas de dos neuronas vecinas mediante unos complejos de proteínas (conexones) que permiten el paso del impulso nervioso en ambos sentidos. Este tipo de sinapsis son muy frecuentes en los invertebrados, aunque en el ser humano suelen comunicar células gliales entre sí o con neuronas. Se trata de circuitos mucho más rápidos, pero mucho menos precisos.

Esquema que muestra las diferencias entre una sinapsis eléctrica y una química

[fuente: MEGÍAS, Manuel, Pilar MOLIST y Manuel A. POMBAL. Atlas de Histología vegetal y animal. Tipos celulares. Neurona (versión febrero 2018). Departamento de Biología Funcional y Ciencias de la Salud.

Facultad de Biología de la Universidad de Vigo]

Como veis, las neuronas son un tesoro. Pero ¡ojo! porque este tesoro lo completan las células de la glía, esas numerosísimas aunque ignoradas acompañantes de las neuronas, en cuyo entramado se integran y sin cuyo apoyo las neuronas no podrían funcionar correctamente. De ellas hablaremos en las próximas publicaciones. ¡Sigue atento!

¿TE HA PICADO LA CURIOSIDAD Y QUIERES SABER MÁS?

NOTAS

[1] La «reacción negra» (reazione nera, en italiano) es un método para teñir tejidos puesto a punto por Camillo Golgi, que compartió Premio Nobel con Cajal en 1906, y que el español usó para conseguir en 1874 algo imposible hasta entonces: observar toda la estructura de las células del sistema nervioso incluyendo el cuerpo celular, el axón y las dendritas ramificadas de las neuronas. (Neurociencia, el blog de José Ramón Alonso, entrada «Golgi y la reacción negra» 26/03/2014: https://jralonso.es/2014/03/26/golgi-y-la-reaccion-negra/

[2] La teoría neuronal, que Cajal resumió en varios artículos, de los que el más destacado es ¿Neuronismo o reticularismo? (1933), se basa en cuatro principios básicos: la neurona es la principal unidad estructural y funcional del cerebro; los terminales del axón de una neurona se comunican con las dendritas de otra en lugares específicos (que más tarde Charles Sherrington bautizaría como «sinapsis»); las neuronas se conectan entre sí en sitios específicos para configurar circuitos, y las señales nerviosas siguen un flujo predecible y en un mismo sentido: entran por las dendritas hacia el cuerpo celular y salen por el axón («Ley de la polarización dinámica de las células nerviosas»). Cajal también dictó las leyes referentes a la morfología y al dinamismo de las células nerviosas que explican la significación utilitaria de sus diversas formas y asociaciones, que englobó bajo el título de «Leyes de ahorro de espacio, de tiempo y de materia conductriz», además de descubrir y enunciar el «Principio de Divergencia» —principio de «Avalancha de Conducción» lo llamó él—, mediante el cual una sola célula nerviosa puede activar o inhibir a una población de neuronas que entran en contacto con la primera.

https://cvc.cervantes.es/ciencia/cajal/cajal_recuerdos/introduccion_15.htm

[3] La «semipermeabilidad» de la membrana plasmática de cualquier célula permite que la composición de dentro (intracelular) y fuera de la célula (extracelular) sea distinta gracias a que solo deja pasar ciertas moléculas o átomos cargados (iones). En la membrana celular hay proteínas que atraviesan las membranas (proteínas transmembrana) o canales iónicos que permiten a los iones entrar o salir de la célula a favor del gradiente electroquímico (sin necesitar energía). Cuando el transporte de iones a uno u otro lado de la célula debe hacerse de modo selectivo contra gradiente, se requiere energía y la intervención de bombas de iones (como la bomba Na/K, que saca tres iones sodio y mete un ion potasio para mantener el potencial de membrana en reposo).

[4] El exterior de la membrana neuronal tiene cargas eléctricas positivas, mientras que en el interior dominan las cargas eléctricas negativas. Esta diferencia se debe, principalmente, a la mayor concentración de iones de sodio (Na⁺) y cloro (Cl^—) en el líquido tisular que baña a la célula nerviosa, y a los muchos iones de potasio (K⁺) y grandes «iones orgánicos negativos», en el citoplasma de la neurona.

[5] PÉREZ IGLESIAS, Juan Ignacio. Neuronas gigantes. Publicado el 19.11.2015 en el blog Zoo Logik http://zoologik.naukas.com/2015/11/19/neuronas-gigantes/

[6] Un trabajo de 2009 mostró que las neuronas no solo establecen sinapsis entre ellas, sino que podrían hacerlo con unas células de la glía, como las identificadas como NG2 (BERGLES DE, JABS R, STEINHÄUSER C. Neuron-glia synapses in the brain. Brain Res Rev. 2010 May; 63(1-2):130-7. doi: 10.1016/j.brainresrev.2009.12.003). También un trabajo de 2014 establece la existencia de comunicación entre neuronas y otras células gliales, como los astrocitos (MARTÍNEZ--GÓMEZ, A. Comunicación entre células gliales y neuronas I [...] Revista de Medicina e Investigación 2014; 2(2): 75-84 https://www.elsevier.es/es-revista-revista-medicina-e-investigacion-353-pdf-S2214310615300029). La investigación sobre las células de la neuroglía es un campo muy activo que poco a poco va aumentando nuestro conocimiento sobre los tipos de células que la componen y sus funciones, aunque todavía subsisten muchas incógnitas.

FUENTES

DE FELIPE, Javier. Cajal y los circuitos neuronales (Instituto Cajal – CSIC)

http://www.banquete.org/banquete08/Cajal-y-los-circuitos-neuronales

GODWIN, Dwayne, Jorge CHAM y Meg ROSENBURG. Mind a minute: your brain by the numbers https://www.youtube.com/watch?v=0DuPzbYsCig

MEGÍAS, Manuel, Pilar MOLIST y Manuel A. POMBAL. Atlas de Histología vegetal y animal. Tipos celulares. Neurona (versión febrero 2018). Departamento de Biología Funcional y Ciencias de la Salud. Facultad de Biología de la Universidad de Vigo.

Tejidos animales. Tejido nervioso https://mmegias.webs.uvigo.es/guiada_a_nervioso.php
Tipos celulares. La neurona https://mmegias.webs.uvigo.es/descargas/tipos-cel-neurona.pdf

Sobre el número de neuronas en el cerebro humano:

ZORZETTO, Ricardo (2012) Números revisados. El recuento de la neuronas pone en jaque a la neurociencia. Revista Pesquisa FAPESP edición 192, de febrero de 2012 https://revistapesquisa.fapesp.br/wp-content/uploads/2012/02/026-031_Neuro_espanhol_2.pdf
HERCULANO-HOUZEL, Suzana. What is so special about the human brain ? TEDGlobal talk 2013 (vídeo con transcripción consultable en español: ¿Qué tiene de especial el cerebro humano? ) https://www.ted.com/talks/suzana_herculano_houzel_what_is_so_special_about_the_human_brain/transcript
VON BARTHELD, Christopher S., Jami BAHNEY, Suzana HERCULANO-HOUZEL (2016). The search for true numbers of neurons and glial cells in the human brain: A review of 150 years of cell counting. The Journal of Comparative Neurology, vol.524 (18), pp. 3865-3895. https://doi.org/10.1002/cne.24040

En el Instituto Cajal, el Grupo de Electrofisiología Celular estudia «los mecanismos celulares [como las propiedades eléctricas de las membranas de las células excitables] que intervienen en el procesamiento de la información que subyace a los procesos de memoria y aprendizaje»

BUÑO, W. y A. ARAQUE (2006): Características de los componentes celulares del tejido nervioso: propiedades eléctricas de las membranas de las células excitables. Sección II, tema 4 de la Maestría en Neurociencia y Biología del Comportamiento 2007 (Administración Nacional de Educación Pública de Uruguay). Viguera Editores, S.L. pp. 147-173. http://www.anep.edu.uy/ipa-fisica/document/material/primero/2008/espacio/propelec.pdf

Teoría de la membrana: http://www.facmed.unam.mx/historia/TeoriaMembrana.html

Neurociencia para dummies. Canal YouTube del Instituto Cajal en colaboración con AsociaciónConCiencia

https://youtu.be/1SZ2HVnGwIk?list=PLEU_4DYTRsCHPRnT2mlufUmpb_J0KlwmY&t=166

El diccionario del cerebro. Canal YouTube Cerebrotes, de Clara García