Un "botón de volumen molecular" que regula las señales eléctricas en el cerebro ayuda con el aprendizaje y la memoria, según un estudio de Dartmouth.
El sistema molecular controla el ancho de las señales eléctricas que fluyen a través de las sinapsis entre las neuronas.
El hallazgo del mecanismo de control y la identificación de la molécula que lo regula podría ayudar a los investigadores en su búsqueda de formas de controlar los trastornos neurológicos, incluida la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la epilepsia.
La investigación, publicada en Actas de la Academia Nacional de Ciencias , describe el primer estudio de cómo las formas de las señales eléctricas contribuyen al funcionamiento de las sinapsis.
"Las sinapsis en nuestro cerebro son muy dinámicas y hablan en una variedad de susurros y gritos", dijo Michael Hoppa, profesor asistente de ciencias biológicas en Dartmouth y líder de la investigación. "Este hallazgo nos pone en un camino más recto hacia lacapaz de curar trastornos neurológicos obstinados ".
Las sinapsis son pequeños puntos de contacto que permiten que las neuronas del cerebro se comuniquen a diferentes frecuencias. El cerebro convierte las entradas eléctricas de las neuronas en neurotransmisores químicos que viajan a través de estos espacios sinápticos.
La cantidad de neurotransmisor liberado cambia el número y los patrones de neuronas activadas dentro de los circuitos del cerebro. Esa remodelación de la fuerza de la conexión sináptica es cómo ocurre el aprendizaje y cómo se forman los recuerdos.
Dos funciones apoyan estos procesos de memoria y aprendizaje. Una, conocida como facilitación, es una serie de picos cada vez más rápidos que amplifican las señales que cambian la forma de una sinapsis. La otra, la depresión, reduce las señales. Juntas, estas dos formas deplasticidad mantiene el cerebro en equilibrio y previene trastornos neurológicos como convulsiones.
"A medida que envejecemos, es fundamental poder mantener las sinapsis fortalecidas. Necesitamos un buen equilibrio de plasticidad en nuestro cerebro, pero también la estabilización de las conexiones sinápticas", dijo Hoppa.
La investigación se centró en el hipocampo, el centro del cerebro responsable del aprendizaje y la memoria.
En el estudio, el equipo de investigación descubrió que los picos eléctricos se emiten como señales analógicas cuya forma afecta la magnitud del neurotransmisor químico liberado a través de las sinapsis. Este mecanismo funciona de manera similar a un atenuador de luz con ajustes variables. Investigaciones anteriores consideraban que los picosser entregado como una señal digital, más parecido a un interruptor de luz que opera solo en las posiciones de "encendido" y "apagado".
"El hallazgo de que estos picos eléctricos son analógicos desbloquea nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro para formar la memoria y el aprendizaje", dijo In Ha Cho, becario postdoctoral en Dartmouth y primer autor del estudio. "El uso de señales analógicas proporcionauna vía más fácil para modular la fuerza de los circuitos cerebrales ".
El premio Nobel Eric Kandel realizó un trabajo sobre la conexión entre el aprendizaje y el cambio en las formas de las señales eléctricas en las babosas marinas marinas en 1970. No se pensaba que el proceso ocurriera en las sinapsis más complejas que se encuentran en el cerebro de los mamíferos en ese momento.
Más allá de descubrir que las señales eléctricas que fluyen a través de las sinapsis en el hipocampo del cerebro son analógicas, la investigación de Dartmouth también identificó la molécula que regula las señales eléctricas.
Anteriormente se había demostrado que la molécula, conocida como Kv? 1, regulaba las corrientes de potasio, pero no se sabía que tuviera ningún papel en la sinapsis que controla la forma de las señales eléctricas. Estos hallazgos ayudan a explicar por qué la pérdida de moléculas de Kv? 1previamente se había demostrado que afectaba negativamente el aprendizaje, la memoria y el sueño en ratones y moscas de la fruta.
La investigación también revela los procesos que permiten que el cerebro tenga un poder computacional tan alto con una energía tan baja. Un solo impulso eléctrico analógico puede transportar información de varios bits, lo que permite un mayor control con señales de baja frecuencia.
"Esto ayuda a comprender cómo nuestro cerebro es capaz de funcionar a niveles de supercomputadora con tasas mucho más bajas de impulsos eléctricos y el equivalente energético de una bombilla de luz de un refrigerador. Cuanto más aprendemos sobre estos niveles de control, nos ayuda a aprender cómonuestros cerebros son tan eficientes ", dijo Hoppa.
Durante décadas, los investigadores han buscado reguladores moleculares de plasticidad sináptica centrándose en la maquinaria molecular de liberación química. Hasta ahora, las mediciones de los pulsos eléctricos habían sido difíciles de observar debido al pequeño tamaño de las terminales nerviosas.
El nuevo hallazgo de la investigación fue posible gracias a la tecnología desarrollada en Dartmouth para medir el voltaje y la liberación de neurotransmisores con técnicas que utilizan luz para medir señales eléctricas en las conexiones sinápticas entre las neuronas del cerebro.
En el trabajo futuro, el equipo buscará determinar cómo se relaciona el descubrimiento con los cambios en el metabolismo cerebral que ocurren durante el envejecimiento y causan trastornos neurológicos comunes.
Según el equipo de investigación, el sistema molecular existe en un área del cerebro que es fácilmente objetivo de los productos farmacéuticos y podría prestarse al desarrollo de terapias con medicamentos.
La financiación para esta investigación se proporcionó a través de un premio National Science CAREER y de la Beca Klingenstein-Simons.
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Materiales proporcionado por Dartmouth College . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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