Un estudio encuentra una diferencia sorprendente entre las neuronas de los humanos y otros mamíferos

Las neuronas humanas tienen menos canales iónicos, lo que podría haber permitido al cerebro humano desviar energía a otros procesos neuronales.

Anne Trafton | Oficina de noticias del MIT

10 de noviembre de 2021

Los neurocientíficos del MIT analizaron neuronas piramidales de varias especies de mamíferos diferentes, incluidos, de izquierda a derecha, hurón, conejillo de indias, conejo, tití, macaco y humano. Créditos: Imagen: Cortesía de los investigadores.

Las neuronas se comunican entre sí a través de impulsos eléctricos, que son producidos por canales iónicos que controlan el flujo de iones como el potasio y el sodio. En un nuevo hallazgo sorprendente, los neurocientíficos del MIT han demostrado que las neuronas humanas tienen un número mucho menor de estos canales de lo esperado, en comparación con las neuronas de otros mamíferos.

Los investigadores plantean la hipótesis de que esta reducción en la densidad de canales puede haber ayudado al cerebro humano a evolucionar para operar de manera más eficiente, lo que le permite desviar recursos a otros procesos intensivos en energía que se requieren para realizar tareas cognitivas complejas.

"Si el cerebro puede ahorrar energía al reducir la densidad de los canales iónicos, puede gastar esa energía en otros procesos neuronales o de circuitos", dice Mark Harnett, profesor asociado de ciencias cerebrales y cognitivas, miembro del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT. y el autor principal del estudio.

Harnett y sus colegas analizaron neuronas de 10 mamíferos diferentes, el estudio electrofisiológico más extenso de su tipo, e identificaron un "plan de construcción" que es válido para todas las especies que observaron, excepto los humanos. Descubrieron que a medida que aumenta el tamaño de las neuronas, también aumenta la densidad de los canales que se encuentran en las neuronas.

Sin embargo, las neuronas humanas demostraron ser una sorprendente excepción a esta regla.

“Estudios comparativos previos establecieron que el cerebro humano está construido como otros cerebros de mamíferos, por lo que nos sorprendió encontrar pruebas sólidas de que las neuronas humanas son especiales”, dice el ex estudiante graduado del MIT Lou Beaulieu-Laroche.

Beaulieu-Laroche es el autor principal del estudio, que apareció el 10 de noviembre en Nature.

Un plan de construcción

Las neuronas en el cerebro de los mamíferos pueden recibir señales eléctricas de miles de otras células, y esa entrada determina si dispararán o no un impulso eléctrico llamado potencial de acción. En 2018, Harnett y Beaulieu-Laroche descubrieron que las neuronas humanas y de rata difieren en algunas de sus propiedades eléctricas, principalmente en partes de la neurona llamadas dendritas, antenas en forma de árbol que reciben y procesan la información de otras células.

Uno de los hallazgos de ese estudio fue que las neuronas humanas tenían una menor densidad de canales iónicos que las neuronas en el cerebro de las ratas. Los investigadores se sorprendieron con esta observación, ya que en general se suponía que la densidad del canal iónico era constante en todas las especies. En su nuevo estudio, Harnett y Beaulieu-Laroche decidieron comparar neuronas de varias especies de mamíferos diferentes para ver si podían encontrar algún patrón que gobernara la expresión de los canales iónicos. Estudiaron dos tipos de canales de potasio activados por voltaje y el canal de HCN, que conduce tanto el potasio como el sodio, en neuronas piramidales de capa 5, un tipo de neuronas excitadoras que se encuentran en la corteza cerebral.

Pudieron obtener tejido cerebral de 10 especies de mamíferos: musarañas etruscas (uno de los mamíferos más pequeños conocidos), jerbos, ratones, ratas, cobayas, hurones, conejos, titíes y macacos, así como tejido humano extraído de pacientes con epilepsia durante una cirugía cerebral. Esta variedad permitió a los investigadores cubrir una variedad de grosores corticales y tamaños de neuronas en todo el reino de los mamíferos.

Los investigadores encontraron que en casi todas las especies de mamíferos que observaron, la densidad de los canales iónicos aumentaba a medida que aumentaba el tamaño de las neuronas. La única excepción a este patrón fue en las neuronas humanas, que tenían una densidad de canales iónicos mucho menor de lo esperado.

El aumento en la densidad de canales en todas las especies fue sorprendente, dice Harnett, porque cuantos más canales hay, más energía se requiere para bombear iones dentro y fuera de la célula. Sin embargo, comenzó a tener sentido una vez que los investigadores comenzaron a pensar en la cantidad de canales en el volumen general de la corteza, dice.

En el diminuto cerebro de la musaraña etrusca, que está repleto de neuronas muy pequeñas, hay más neuronas en un volumen dado de tejido que en el mismo volumen de tejido del cerebro de conejo, que tiene neuronas mucho más grandes. Pero debido a que las neuronas del conejo tienen una mayor densidad de canales iónicos, la densidad de canales en un volumen dado de tejido es la misma en ambas especies, o en cualquiera de las especies no humanas que analizaron los investigadores.

“Este plan de construcción es consistente en nueve especies de mamíferos diferentes”, dice Harnett. “Lo que parece que la corteza está tratando de hacer es mantener el mismo número de canales iónicos por unidad de volumen en todas las especies. Esto significa que para un volumen determinado de corteza, el costo energético es el mismo, al menos para los canales iónicos ".

Eficiencia energética

Sin embargo, el cerebro humano representa una sorprendente desviación de este plan de construcción. En lugar de una mayor densidad de canales iónicos, los investigadores encontraron una disminución dramática en la densidad esperada de canales iónicos para un volumen dado de tejido cerebral.

Los investigadores creen que esta densidad más baja puede haber evolucionado como una forma de gastar menos energía en el bombeo de iones, lo que permite que el cerebro use esa energía para otra cosa, como crear conexiones sinápticas más complicadas entre neuronas o disparar potenciales de acción a un ritmo mayor.

"Creemos que los humanos han evolucionado a partir de este plan de construcción que anteriormente restringía el tamaño de la corteza, y descubrieron una manera de volverse más eficientes energéticamente, por lo que gastas menos ATP por volumen en comparación con otras especies", dice Harnett.

Ahora espera estudiar a dónde podría ir esa energía adicional y si existen mutaciones genéticas específicas que ayuden a las neuronas de la corteza humana a lograr esta alta eficiencia. Los investigadores también están interesados ​​en explorar si las especies de primates que están más estrechamente relacionadas con los humanos muestran disminuciones similares en la densidad de los canales iónicos.

La investigación fue financiada por el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, una beca del Instituto Friends of the McGovern, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, el Programa de Becas Paul y Daisy Soros, el Programa de Becas de Neuroimagen David Mahoney de la Fundación Dana, el Programa Nacional de Institutos de Salud, el Programa de Becas de Investigación Conjunta Harvard-MIT en Neurociencia Básica y Susan Haar.

Otros autores del artículo incluyen a Norma Brown, asociada técnica del MIT; Marissa Hansen, ex becaria de posgrado; Enrique Toloza, estudiante de posgrado del MIT y la Escuela de Medicina de Harvard; Jitendra Sharma, científica investigadora del MIT; Ziv Williams, profesor asociado de neurocirugía en la Escuela de Medicina de Harvard; Matthew Frosch, profesor asociado de patología y ciencias y tecnología de la salud en la Escuela de Medicina de Harvard; Garth Rees Cosgrove, director de epilepsia y neurocirugía funcional del Brigham and Women's Hospital; y Sydney Cash, profesora asistente de neurología en la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts.