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Sinapsis silenciosas en el desarrollo y patología del cerebro

Actualizado: 1 abr 2023


Hay millones de conexiones inmaduras entre las neuronas en los cerebros de los adultos que permanecen inactivas hasta que son reclutadas para ayudar a formar nuevos recuerdos, según neurocientíficos del Instituto de Tecnología de Massachusetts.¹


La plasticidad sináptica se implementa mediante el fortalecimiento o el debilitamiento de las conexiones neuronales, así como la formación de sinapsis completamente nuevas o la eliminación de las existentes.²⁻⁵


En el cerebro de los mamíferos adultos, se cree que la plasticidad se manifiesta principalmente a través de cambios escalares en la fuerza sináptica de las conexiones existentes.⁶′ ⁷ Aunque los humanos adultos y otros mamíferos exhiben poderosas habilidades para almacenar y usar nueva información, las redes neuronales artificiales con sinapsis escalares no han podido igualar este nivel de desempeño.⁸′ ⁹ Por lo tanto, los modelos actuales de plasticidad adulta pueden carecer de principios y/o mecanismos biológicos clave.


Las sinapsis silenciosas prevalecen en la corteza en desarrollo, donde facilitan una matriz de conectividad altamente flexible.¹⁰⁻¹² Investigaciones experimentales anteriores indican que las sinapsis silenciosas están en gran medida ausentes en la corteza cerebral adulta,¹⁰′ ¹²′ ¹⁵ pero hasta ahora, los métodos utilizados para identificar y evaluar las sinapsis silenciosas han sido indirectos. Los investigadores de este estudio han tratado de demostrar que las sinapsis silenciosas aún podrían prevalecer en los cerebros maduros, donde contribuyen a la plasticidad neuronal y al aprendizaje.


Se estima que el 30% de todas las sinapsis en la corteza cerebral son silenciosas y se activan para permitir que el cerebro adulto forme continuamente nuevos recuerdos y deje las sinapsis convencionales existentes sin modificar.


Las sinapsis silenciosas buscan nuevas conexiones, y cuando se presenta nueva información importante, las conexiones entre las neuronas relevantes se fortalecen para permitir que el cerebro recuerde cosas nuevas.


El uso de las sinapsis silenciosas para los nuevos recuerdos no sobrescribe los recuerdos importantes almacenados en sinapsis más maduras, que son más difíciles de cambiar.


Las neuronas del cerebro muestran una amplia gama de mecanismos de plasticidad que explican cómo los cerebros pueden aprender cosas nuevas de manera eficiente y retenerlas en la memoria a largo plazo.


La flexibilidad de las sinapsis es fundamental para adquirir nueva información, y se requiere estabilidad para retener información importante, lo que permite ajustar y cambiar más fácilmente los comportamientos y hábitos o incorporar nueva información.


Las sinapsis excitatorias recién generadas en la corteza de los mamíferos carecen de suficientes receptores de glutamato de tipo AMPA para mediar en la neurotransmisión, lo que da como resultado sinapsis funcionalmente silenciosas que requieren plasticidad dependiente de la actividad para madurar. Las sinapsis silenciosas son abundantes en el desarrollo temprano, durante el cual median en la formación y el refinamiento de circuitos, pero se cree que son escasas en la edad adulta.¹⁰ Sin embargo, los adultos conservan una capacidad de plasticidad neuronal y aprendizaje flexible que sugiere que la formación de nuevas conexiones aún prevalece.


En el presente estudio,¹ los investigadores utilizaron imágenes de proteínas de súper resolución para visualizar proteínas sinápticas en 2234 sinapsis de neuronas piramidales de capa 5 en la corteza visual primaria de ratones adultos. Inesperadamente, alrededor del 25% de estas sinapsis carecen de receptores AMPA. Estas supuestas sinapsis silenciosas estaban ubicadas en las puntas de protuberancias dendríticas delgadas, conocidas como filopodios, que eran más abundantes en un orden de magnitud de lo que se creía anteriormente (que comprenden aproximadamente el 30% de todas las protuberancias dendríticas). Los experimentos fisiológicos revelaron que los filopodios de hecho carecen de transmisión mediada por el receptor AMPA, pero exhiben transmisión sináptica mediada por el receptor NMDA.


Los investigadores demostraron que las sinapsis funcionalmente silenciosas en los filopodios se pueden silenciar a través de la plasticidad de Hebbian, reclutando nuevas conexiones activas en la matriz de entrada de una neurona. Estos resultados desafían el modelo de que la conectividad funcional se fija en gran medida en la corteza adulta y demuestran un nuevo mecanismo para el control flexible del cableado sináptico que amplía las capacidades de aprendizaje del cerebro maduro.¹


Referencias


  1. Vardalaki Dimitra,Chung Kwanghun,Harnett Mark T. Filopodia are a structural substrate for silent synapses in adult neocortex. Nature | Vol 612 | 8 December 2022 | 323. doi = {10.1038/s41586-022-05483-6},

  2. Katz, L. C. & Shatz, L. C. Actividad sináptica y la construcción de circuitos corticales. Science 274, 1133–1138 (1996).

  3. Magee, J. C. & Grienberger, C. Formas y funciones de plasticidad sináptica. Annu. Rev. Neurosci. 43, 95–117 (2020).

  4. Trachtenberg, J. T. et al. Imágenes in vivo a largo plazo de la plasticidad sináptica dependiente de la experiencia en la corteza adulta. Nature 420, 788–794 (2002).

  5. Knott, G. W., Holtmaat, A., Wilbrecht, L., Welker, E. & Svoboda, K. El crecimiento de la columna vertebral precede a la formación de sinapsis en el neocórtex adulto in vivo. Nat. Neurosci. 9, 1117–1124 (2006).

  6. Grutzendler, J., Kasthuri, N. & Gan, W. B. Estabilidad de la columna dendrítica a largo plazo en la corteza adulta. Nature 420, 812–816 (2002).

  7. Holtmaat, A. J. G. D. et al. Espinas dendríticas transitorias y persistentes en el neocórtex in vivo. Neurona 45, 279–291 (2005).

  8. Fusi, S. & Abbott, L. F. Limits on the memory storage capacity of bounded synapses. Nat. Neurosci. 10, 485–493 (2007).

  9. Poirazi, P. & Mel, B. W. Impacto de las dendritas activas y la plasticidad estructural en la capacidad de memoria del tejido neural. Neurona 29, 779–796 (2001).

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  11. Durand, GM, Kovalchuk, Y. & Konnerth, A. Potenciación a largo plazo e inducción de sinapsis funcional en el desarrollo del hipocampo. Nature 381, 71–75 (1996).

  12. Huang, X. et al. La maduración progresiva de las sinapsis silenciosas gobierna la duración de un período crítico. USA 112, E3131–E3140 (2015).

  13. Busetto, G., Higley, M. J. & Sabatini, B. L. Presencia en el desarrollo y desaparición de sinapsis postsinápticamente silenciosas en espinas dendríticas de neuronas piramidales de capa 2/3 de rata. J. Physiol. 586, 1519–1527 (2008).

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