Los neurocientíficos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han descubierto que el cerebro adulto contiene millones de "sinapsis silenciosas", es decir, conexiones inmaduras entre neuronas que permanecen inactivas hasta que son reclutadas para ayudar a formar nuevos recuerdos, según publican en la revista 'Nature'.
Hasta ahora, se creía que las sinapsis silenciosas sólo estaban presentes durante el desarrollo temprano, cuando ayudan al cerebro a aprender la nueva información a la que se expone al principio de la vida. Sin embargo, el nuevo estudio del MIT ha revelado que en los ratones adultos, alrededor del 30 por ciento de todas las sinapsis de la corteza cerebral son silenciosas.
La existencia de estas sinapsis silenciosas puede ayudar a explicar cómo el cerebro adulto es capaz de formar continuamente nuevos recuerdos y aprender cosas nuevas sin tener que modificar las sinapsis convencionales existentes, dicen los investigadores.
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"Estas sinapsis silenciosas buscan nuevas conexiones y, cuando se presenta información nueva e importante, se refuerzan las conexiones entre las neuronas correspondientes. Esto permite al cerebro crear nuevos recuerdos sin sobrescribir los recuerdos importantes almacenados en las sinapsis maduras, que son más difíciles de modificar", afirma Dimitra Vardalaki, estudiante de posgrado del MIT y autora principal del nuevo estudio.
Cuando los científicos descubrieron por primera vez las sinapsis silenciosas hace décadas, se observaron principalmente en los cerebros de ratones jóvenes y otros animales. Se cree que, durante el desarrollo temprano, estas sinapsis ayudan al cerebro a adquirir las enormes cantidades de información que los bebés necesitan para aprender sobre su entorno y cómo interactuar con él. En los ratones, se cree que estas sinapsis desaparecen hacia los 12 días de edad, lo que equivaldría a los primeros meses de la vida humana.
Sin embargo, algunos neurocientíficos han propuesto que las sinapsis silenciosas pueden persistir hasta la edad adulta y contribuir a la formación de nuevos recuerdos. Esto se ha comprobado en modelos animales de adicción, que se considera en gran medida un trastorno de aprendizaje aberrante.
Los trabajos teóricos de Stefano Fusi y Larry Abbott, de la Universidad de Columbia (Estados Unidos), también han propuesto que las neuronas deben mostrar una amplia gama de mecanismos de plasticidad diferentes para explicar cómo los cerebros pueden aprender cosas nuevas con eficacia y retenerlas en la memoria a largo plazo. En este escenario, algunas sinapsis deben establecerse o modificarse fácilmente, para formar los nuevos recuerdos, mientras que otras deben permanecer mucho más estables, para preservar los recuerdos a largo plazo.
En el nuevo estudio, el equipo del MIT no se propuso buscar específicamente sinapsis silenciosas. En su lugar, estaban haciendo un seguimiento de un hallazgo intrigante de un estudio anterior del laboratorio de Mark Harnett, profesor asociado de ciencias cognitivas y del cerebro, y autor principal del nuevo trabajo. En ese estudio, los investigadores demostraron que, dentro de una misma neurona, las dendritas -extensiones en forma de antena que sobresalen de las neuronas- pueden procesar la entrada sináptica de diferentes maneras, dependiendo de su ubicación.
Como parte de ese estudio, los investigadores trataron de medir los receptores de neurotransmisores en diferentes ramas dendríticas, para ver si eso ayudaría a explicar las diferencias en su comportamiento. Para ello, utilizaron una técnica llamada eMAP (epitope-preserving Magnified Analysis of the Proteome), desarrollada por Kwanghun Chung, profesor asociado de ingeniería química en el MIT y coautor del estudio. Con esta técnica, los investigadores pueden ampliar físicamente una muestra de tejido y luego etiquetar proteínas específicas en la muestra, lo que permite obtener imágenes de muy alta resolución.
Mientras realizaban esas imágenes, hicieron un descubrimiento sorprendente. "Lo primero que vimos, que era súper extraño y no esperábamos, fue que había filopodios por todas partes", dice Harnett.
Los filopodios, finas protuberancias de la membrana que se extienden desde las dendritas, se habían visto antes, pero los neurocientíficos no sabían exactamente qué hacían. Esto se debe, en parte, a que los filopodios son tan diminutos que resultan difíciles de ver con las técnicas de imagen tradicionales.
Después de hacer esta observación, el equipo del MIT se propuso tratar de encontrar filopodios en otras partes del cerebro adulto, utilizando la técnica eMAP. Para su sorpresa, encontraron filopodios en el córtex visual de los ratones y en otras partes del cerebro, a un nivel 10 veces superior al observado anteriormente. También descubrieron que los filopodios tenían receptores de neurotransmisores llamados receptores NMDA, pero no receptores AMPA.
Una sinapsis activa típica tiene estos dos tipos de receptores, que se unen al neurotransmisor glutamato. Los receptores NMDA normalmente requieren la cooperación con los receptores AMPA para pasar las señales porque los receptores NMDA están bloqueados por los iones de magnesio en el potencial de reposo normal de las neuronas.
Para investigar si estos filopodios podrían ser sinapsis silenciosas, los investigadores utilizaron una versión modificada de una técnica experimental conocida como 'patch clamping'. Esto les permitió controlar la actividad eléctrica generada en los filopodios individuales mientras intentaban estimularlos imitando la liberación del neurotransmisor glutamato desde una neurona vecina.
Mediante esta técnica, descubrieron que el glutamato no generaba ninguna señal eléctrica en el filopodio que recibía la entrada, a menos que se desbloquearan experimentalmente los receptores NMDA. Así, afirman que esto respalda la teoría de que los filopodios representan sinapsis silenciosas en el cerebro.
Los investigadores también demostraron que podían "insilenciar" estas sinapsis combinando la liberación de glutamato con una corriente eléctrica procedente del cuerpo de la neurona. Esta estimulación combinada provoca la acumulación de receptores AMPA en la sinapsis silenciosa, lo que le permite formar una fuerte conexión con el axón cercano que está liberando glutamato.
También descubrieron que convertir las sinapsis silenciosas en sinapsis activas era mucho más fácil que alterar las sinapsis maduras. "Si se parte de una sinapsis ya funcional, ese protocolo de plasticidad no funciona --explica Harnett--. Las sinapsis del cerebro adulto tienen un umbral mucho más alto, presumiblemente porque quieres que esas memorias sean bastante resistentes. No queremos que se sobrescriban constantemente". Los filopodios, en cambio, pueden ser capturados para formar nuevos recuerdos".
Los hallazgos ofrecen apoyo a la teoría propuesta por Abbott y Fusi de que el cerebro adulto incluye sinapsis altamente plásticas que pueden ser reclutadas para formar nuevos recuerdos, dicen los investigadores. "Este trabajo es, hasta donde yo sé, la primera prueba real de que así es como funciona realmente en un cerebro de mamífero", subraya Harnett.
Los investigadores buscan ahora pruebas de estas sinapsis silenciosas en el tejido cerebral humano. También esperan estudiar si el número o la función de estas sinapsis se ven afectados por factores como el envejecimiento o las enfermedades neurodegenerativas.
