¿Cómo son realmente las neuronas? Científicos descubren la verdadera forma de esta estructura cerebral

Los libros de texto de biología podrían necesitar una revisión, dicen los científicos de Johns Hopkins Medicine, quienes presentan nueva evidencia de que una estructura similar a un brazo de las células cerebrales de los mamíferos podría tener una forma diferente a la que los científicos han asumido durante más de un siglo.

Su estudio sobre células cerebrales de ratones muestra que los axones de las células (las estructuras con forma de brazo que se extienden e intercambian información con otras células cerebrales) no son los tubos cilíndricos que a menudo se representan en libros y sitios web, sino más bien como perlas en un collar.

Un informe sobre los hallazgos se publicará en línea el 2 de diciembre en Nature Neuroscience.

“Comprender la estructura de los axones es importante para entender la señalización de las células cerebrales”, afirmó el Dr. Shigeki Watanabe, profesor asociado de biología celular y neurociencia en la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en un comunicado. “Los axones son los cables que conectan nuestro tejido cerebral y permiten el aprendizaje, la memoria y otras funciones”.

Los científicos saben que las estructuras con forma de perla en los axones, conocidas como “cuentas axónicas”, pueden desarrollarse en células cerebrales moribundas y en personas con Parkinson y otras enfermedades neurodegenerativas debido a la pérdida de la integridad de la membrana y del esqueleto en las neuronas.

En condiciones normales, se cree que los axones tienen forma de tubos con un diámetro mayormente constante y ocasionalmente estructuras similares a burbujas (varicosidades sinápticas que contienen grupos de neurotransmisores que permiten la señalización a otras células cerebrales).

Watanabe había observado inicialmente la formación repetida de perlas axónicas en el sistema nervioso de los gusanos y sintió más curiosidad por estas estructuras después de una conversación con el científico suizo Graham Knott, Ph.D. Un equipo de investigación de la Universidad de Harvard había publicado un estudio en 2012 que identificaba componentes “esqueléticos” repetidos en los axones, por lo que el par de investigadores discutieron experimentos para deshacerse del esqueleto axonal y ver si las estructuras en forma de perla desaparecían, dijo Watanabe.

Jacqueline Griswold, estudiante de posgrado de Johns Hopkins y primera autora del estudio, probó la idea pero no encontró ningún efecto sobre el perlado axonal.

Luego, Watanabe y Griswold trabajaron con su colega de biofísica teórica Padmini Rangamani, profesora de farmacología en la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego, para observar más de cerca las propiedades físicas de los axones.

Para poder ver los axones de las células cerebrales (neuronas), que son 100 veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano, los científicos utilizaron un microscopio electrónico de congelación a alta presión. Al igual que la microscopía electrónica estándar, que dispara haces de electrones a una célula para delinear su estructura, Watanabe y su equipo congelaron neuronas de ratón para preservar la forma de las estructuras.

“Para ver las estructuras a nanoescala con un microscopio electrónico estándar, fijamos y deshidratamos los tejidos, pero al congelarlos se conserva su forma, de forma similar a congelar una uva en lugar de deshidratarla para convertirla en una pasa”, explicó Watanabe.

Los investigadores estudiaron tres tipos de neuronas de ratón: las cultivadas en el laboratorio, las extraídas de ratones adultos y las extraídas de embriones de ratón. Las neuronas no estaban mielinizadas (carecían de la capa aislante de mielina que rodea el axón).

Los investigadores encontraron la forma burbujeante y en forma de pera de los axones entre las decenas de miles de imágenes tomadas de las muestras de tejido.

Los científicos denominaron “varicosidades no sinápticas” a las estructuras con forma de perla en las que se hincha el axón.

“Estos hallazgos desafían un siglo de comprensión sobre la estructura de los axones”, afirmó Watanabe.

Los científicos también utilizaron modelos matemáticos para ver si la membrana del axón influía en la forma o la presencia de la perla en una estructura de cuerda. Descubrieron que se podían utilizar modelos mecánicos simples para explicar estas estructuras de manera muy eficaz.

Además, los experimentos con el modelo matemático y muestras de cerebro de ratón mostraron que aumentar la concentración de azúcares en la solución alrededor del axón o disminuir la tensión en las membranas axónicas reducía el tamaño de las estructuras de las perlas.

En otro experimento, los científicos eliminaron el colesterol de la membrana de la neurona para hacerla menos rígida y más parecida a un fluido. En estas condiciones, encontraron menos perlado tanto en los modelos matemáticos como en las neuronas de los ratones, junto con una capacidad reducida del axón para transmitir señales eléctricas.

“Un espacio más amplio en los axones permite que los iones [partículas químicas] pasen más rápidamente y eviten atascos”, dijo Watanabe.

Los científicos también aplicaron estimulación eléctrica de alta frecuencia a las neuronas del ratón, lo que hizo que las estructuras perladas a lo largo de los axones se hincharan, en promedio, un 8% más y un 17% más durante al menos 30 minutos después de la estimulación y aumentara la velocidad de las señales eléctricas. Sin embargo, cuando se eliminó el colesterol de la membrana, las perlas del axón perdieron su estado hinchado y no hubo cambios en la velocidad de las señales eléctricas.

El equipo de investigación planea examinar los “brazos” axónicos en tejido cerebral humano extraído con autorización de personas que se han sometido a cirugía cerebral y de personas que han muerto por enfermedades neurodegenerativas. Este trabajo formó la base de una beca de investigación principal múltiple otorgada recientemente a Watanabe y Rangamani por el Instituto Nacional de Salud Mental.