Neurona

Una neurona o célula nerviosa es una célula eléctricamente excitable que se comunica con otras células a través de conexiones especializadas llamadas sinapsis. La neurona es el componente principal del tejido nervioso en todos los animales excepto esponjas y placozoos. Las plantas y los hongos no tienen células nerviosas.

Las neuronas se clasifican típicamente en tres tipos según su función. Las neuronas sensoriales responden a estímulos como el tacto, el sonido o la luz que afectan a las células de los órganos sensoriales y envían señales a la médula espinal o al cerebro. Las neuronas motoras reciben señales del cerebro y la médula espinal para controlar todo, desde las contracciones musculares hasta la salida glandular. Las interneuronas conectan neuronas con otras neuronas dentro de la misma región del cerebro o la médula espinal. Cuando varias neuronas se conectan juntas, forman lo que se llama un circuito neuronal.

Una neurona típica consta de un cuerpo celular (soma), dendritas y un solo axón. El soma es una estructura compacta y el axón y las dendritas son filamentos que sobresalen del soma. Las dendritas típicamente se ramifican profusamente y se extienden unos pocos cientos de micrómetros desde el soma. El axón sale del soma en una hinchazón llamada montículo del axón y viaja hasta 1 metro en humanos o más en otras especies. Se ramifica pero suele mantener un diámetro constante. En el extremo más alejado de las ramas del axón se encuentran las terminales del axón, donde la neurona puede transmitir una señal a través de la sinapsis a otra célula. Las neuronas pueden carecer de dendritas o no tener axón. El término neurita se usa para describir una dendrita o un axón, particularmente cuando la célula no está diferenciada.

La mayoría de las neuronas reciben señales a través de las dendritas y el soma y envían señales por el axón. En la mayoría de las sinapsis, las señales pasan del axón de una neurona a la dendrita de otra. Sin embargo, las sinapsis pueden conectar un axón con otro axón o una dendrita con otra dendrita.

El proceso de señalización es en parte eléctrico y en parte químico. Las neuronas son eléctricamente excitables, debido al mantenimiento de gradientes de voltaje a través de sus membranas. Si el voltaje cambia en una cantidad lo suficientemente grande en un intervalo corto, la neurona genera un pulso electroquímico de todo o nada llamado potencial de acción. Este potencial viaja rápidamente a lo largo del axón y activa las conexiones sinápticas a medida que las alcanza. Las señales sinápticas pueden ser excitatorias o inhibitorias, aumentando o reduciendo el voltaje neto que llega al soma.

En la mayoría de los casos, las neuronas son generadas por células madre neurales durante el desarrollo del cerebro y la niñez. La neurogénesis cesa en gran medida durante la edad adulta en la mayoría de las áreas del cerebro.

Sistema nervioso

Las neuronas son los componentes principales del sistema nervioso, junto con las células gliales que les brindan soporte estructural y metabólico. El sistema nervioso está compuesto por el sistema nervioso central, que incluye el cerebro y la médula espinal, y el sistema nervioso periférico, que incluye los sistemas nervioso autónomo y somático. En los vertebrados, la mayoría de las neuronas pertenecen al sistema nervioso central, pero algunas residen en los ganglios periféricos y muchas neuronas sensoriales están situadas en órganos sensoriales como la retina y la cóclea.

Los axones pueden agruparse en fascículos que forman los nervios en el sistema nervioso periférico (como hilos de alambre forman cables). Los haces de axones en el sistema nervioso central se denominan tractos.

Anatomía e histología

Las neuronas están altamente especializadas para el procesamiento y transmisión de señales celulares. Dada su diversidad de funciones realizadas en diferentes partes del sistema nervioso, existe una gran variedad en su forma, tamaño y propiedades electroquímicas. Por ejemplo, el soma de una neurona puede variar de 4 a 100 micrómetros de diámetro.

• El soma es el cuerpo de la neurona. Como contiene el núcleo, aquí se produce la mayor parte de la síntesis de proteínas. El núcleo puede variar de 3 a 18 micrómetros de diámetro.
• Las dendritas de una neurona son extensiones celulares con muchas ramificaciones. Esta forma y estructura general se conoce metafóricamente como un árbol dendrítico. Aquí es donde se produce la mayor parte de la entrada a la neurona a través de la espina dendrítica.
• El axón es una proyección más fina, similar a un cable, que puede extenderse decenas, cientos o incluso decenas de miles de veces el diámetro del soma en longitud. El axón transporta principalmente señales nerviosas fuera del soma y lleva algunos tipos de información de vuelta a él. Muchas neuronas tienen un solo axón, pero este axón puede, y generalmente lo hará, sufrir una ramificación extensa, lo que permite la comunicación con muchas células diana. La parte del axón donde emerge del soma se llama montículo del axón. Además de ser una estructura anatómica, el montículo de axones también tiene la mayor densidad de canales de sodio dependientes de voltaje. Esto la convierte en la parte de la neurona que se excita más fácilmente y en la zona de iniciación de picos para el axón. En términos electrofisiológicos, tiene el potencial de umbral más negativo.
  • Si bien el axón y el montículo de axones generalmente están involucrados en el flujo de salida de información, esta región también puede recibir información de otras neuronas.
• La terminal del axón se encuentra en el extremo del axón más alejado del soma y contiene sinapsis. Los botones sinápticos son estructuras especializadas donde se liberan neurotransmisores químicos para comunicarse con las neuronas diana. Además de los botones sinápticos en la terminal del axón, una neurona puede tener botones de paso, que se encuentran a lo largo del axón.

La visión aceptada de la neurona atribuye funciones dedicadas a sus diversos componentes anatómicos; sin embargo, las dendritas y los axones a menudo actúan de manera contraria a su llamada función principal.

Los axones y las dendritas en el sistema nervioso central suelen tener un grosor de solo un micrómetro, mientras que algunos en el sistema nervioso periférico son mucho más gruesos. El soma suele tener entre 10 y 25 micrómetros de diámetro y, a menudo, no es mucho más grande que el núcleo celular que contiene. El axón más largo de una neurona motora humana puede tener más de un metro de largo y va desde la base de la columna vertebral hasta los dedos de los pies.

Las neuronas sensoriales pueden tener axones que van desde los dedos de los pies hasta la columna posterior de la médula espinal, más de 1,5 metros en adultos. Las jirafas tienen axones individuales de varios metros de largo que recorren todo el largo de sus cuellos. Gran parte de lo que se sabe sobre la función axonal proviene del estudio del axón gigante del calamar, una preparación experimental ideal debido a su tamaño relativamente inmenso (0,5 a 1 milímetros de grosor, varios centímetros de largo).

Las neuronas completamente diferenciadas son posmitóticas de forma permanente; sin embargo, las células madre presentes en el cerebro adulto pueden regenerar neuronas funcionales a lo largo de la vida de un organismo (ver neurogénesis). Los astrocitos son células gliales en forma de estrella. Se ha observado que se convierten en neuronas en virtud de su característica de pluripotencia similar a la de las células madre.

Membrana

Como todas las células animales, el cuerpo celular de cada neurona está encerrado por una membrana plasmática, una bicapa de moléculas lipídicas con muchos tipos de estructuras proteicas incrustadas en ella. Una bicapa lipídica es un poderoso aislante eléctrico, pero en las neuronas, muchas de las estructuras proteicas incrustadas en la membrana son eléctricamente activas. Estos incluyen canales de iones que permiten que los iones cargados eléctricamente fluyan a través de la membrana y bombas de iones que transportan químicamente iones de un lado de la membrana al otro. La mayoría de los canales iónicos son permeables solo a tipos específicos de iones. Algunos canales iónicos están activados por voltaje, lo que significa que se pueden cambiar entre estados abiertos y cerrados alterando la diferencia de voltaje a través de la membrana. Otros están controlados químicamente, lo que significa que pueden cambiar entre estados abiertos y cerrados mediante interacciones con sustancias químicas que se difunden a través del líquido extracelular. Los materiales iónicos incluyen sodio, potasio, cloruro y calcio. Las interacciones entre los canales de iones y las bombas de iones producen una diferencia de voltaje a través de la membrana, típicamente un poco menos de 1/10 de voltio en la línea de base. Este voltaje tiene dos funciones: primero, proporciona una fuente de energía para una variedad de maquinaria proteica dependiente del voltaje que está incrustada en la membrana; en segundo lugar, proporciona una base para la transmisión de señales eléctricas entre diferentes partes de la membrana. típicamente un poco menos de 1/10 de voltio en la línea de base. Este voltaje tiene dos funciones: primero, proporciona una fuente de energía para una variedad de maquinaria proteica dependiente del voltaje que está incrustada en la membrana; en segundo lugar, proporciona una base para la transmisión de señales eléctricas entre diferentes partes de la membrana. típicamente un poco menos de 1/10 de voltio en la línea de base. Este voltaje tiene dos funciones: primero, proporciona una fuente de energía para una variedad de maquinaria proteica dependiente del voltaje que está incrustada en la membrana; en segundo lugar, proporciona una base para la transmisión de señales eléctricas entre diferentes partes de la membrana.

Histología y estructura interna

Numerosos grumos microscópicos llamados cuerpos de Nissl (o sustancia de Nissl) se ven cuando los cuerpos de las células nerviosas se tiñen con un tinte basófilo ("amante de las bases"). Estas estructuras consisten en retículo endoplásmico rugoso y ARN ribosomal asociado. Nombrados en honor al psiquiatra y neuropatólogo alemán Franz Nissl (1860-1919), están involucrados en la síntesis de proteínas y su prominencia puede explicarse por el hecho de que las células nerviosas son metabólicamente muy activas. Los tintes basófilos como la anilina o (débilmente) la hematoxilina resaltan los componentes cargados negativamente y, por lo tanto, se unen al esqueleto de fosfato del ARN ribosómico.

El cuerpo celular de una neurona está sostenido por una malla compleja de proteínas estructurales llamadas neurofilamentos, que junto con los neurotúbulos (microtúbulos neuronales) se ensamblan en neurofibrillas más grandes. Algunas neuronas también contienen gránulos de pigmento, como neuromelanina (un pigmento de color negro parduzco que es un subproducto de la síntesis de catecolaminas) y lipofuscina (un pigmento de color marrón amarillento), que se acumulan con la edad. Otras proteínas estructurales que son importantes para la función neuronal son la actina y la tubulina de los microtúbulos. La tubulina β de clase III se encuentra casi exclusivamente en las neuronas. La actina se encuentra predominantemente en las puntas de los axones y las dendritas durante el desarrollo neuronal. Allí, la dinámica de la actina se puede modular a través de una interacción con los microtúbulos.

Hay diferentes características estructurales internas entre los axones y las dendritas. Los axones típicos casi nunca contienen ribosomas, excepto algunos en el segmento inicial. Las dendritas contienen retículo endoplásmico granular o ribosomas, en cantidades decrecientes a medida que aumenta la distancia desde el cuerpo celular.

Clasificación

Las neuronas varían en forma y tamaño y se pueden clasificar por su morfología y función. El anatomista Camillo Golgi agrupó las neuronas en dos tipos; tipo I con axones largos utilizados para mover señales a largas distancias y tipo II con axones cortos, que a menudo se pueden confundir con dendritas. Las células de tipo I se pueden clasificar aún más por la ubicación del soma. La morfología básica de las neuronas de tipo I, representadas por las neuronas motoras espinales, consiste en un cuerpo celular llamado soma y un axón largo y delgado cubierto por una vaina de mielina. El árbol dendrítico envuelve el cuerpo celular y recibe señales de otras neuronas. El extremo del axón tiene terminales de axón ramificados que liberan neurotransmisores en un espacio llamado hendidura sináptica entre los terminales y las dendritas de la siguiente neurona.

Clasificación estructural

Polaridad

La mayoría de las neuronas se pueden caracterizar anatómicamente como:

• Unipolar: proceso único
• Bipolar: 1 axón y 1 dendrita
• Multipolar: 1 axón y 2 o más dendritas
  • Golgi I: neuronas con procesos axonales de proyección larga; ejemplos son las células piramidales, las células de Purkinje y las células del asta anterior.
  • Golgi II: neuronas cuyo proceso axonal se proyecta localmente; el mejor ejemplo es la célula granular
• Anaxónico: donde el axón no se puede distinguir de la(s) dendrita(s)
• Pseudounipolar: 1 proceso que luego sirve como un axón y una dendrita

Otro

Se pueden identificar algunos tipos neuronales únicos según su ubicación en el sistema nervioso y su forma distintiva. Algunos ejemplos son:

• Células en cesta, interneuronas que forman un denso plexo de terminales alrededor del soma de las células diana, que se encuentran en la corteza y el cerebelo.
• Células de Betz, neuronas motoras grandes
• Células de lugaro, interneuronas del cerebelo
• Neuronas espinosas medianas, la mayoría de las neuronas en el cuerpo estriado
• Células de Purkinje, neuronas enormes en el cerebelo, un tipo de neurona multipolar de Golgi I
• Células piramidales, neuronas con soma triangular, un tipo de Golgi I
• Células de Renshaw, neuronas con ambos extremos conectados a neuronas motoras alfa
• Células en cepillo unipolares, interneuronas con dendritas únicas que terminan en un penacho en forma de cepillo
• Células granulares, un tipo de neurona de Golgi II
• Células del asta anterior, motoneuronas ubicadas en la médula espinal
• Células fusiformes, interneuronas que conectan áreas muy separadas del cerebro

Clasificación funcional

Dirección

• Las neuronas aferentes transmiten información de los tejidos y órganos al sistema nervioso central y también se denominan neuronas sensoriales.
• Las neuronas eferentes (neuronas motoras) transmiten señales desde el sistema nervioso central a las células efectoras.
• Las interneuronas conectan neuronas dentro de regiones específicas del sistema nervioso central.

Aferente y eferente también se refieren generalmente a las neuronas que, respectivamente, traen o envían información desde el cerebro.

Acción sobre otras neuronas

Una neurona afecta a otras neuronas al liberar un neurotransmisor que se une a los receptores químicos. El efecto sobre la neurona postsináptica está determinado por el tipo de receptor que se activa, no por la neurona presináptica ni por el neurotransmisor. Un neurotransmisor puede considerarse como una llave y un receptor como una cerradura: el mismo neurotransmisor puede activar múltiples tipos de receptores. Los receptores se pueden clasificar en términos generales como excitatorios (que provocan un aumento en la tasa de activación), inhibitorios (que provocan una disminución en la tasa de activación) o moduladores (que provocan efectos duraderos que no están directamente relacionados con la tasa de activación).

Los dos neurotransmisores más comunes (más del 90 %) en el cerebro, el glutamato y el GABA, tienen acciones en gran parte consistentes. El glutamato actúa sobre varios tipos de receptores y tiene efectos excitatorios en los receptores ionotrópicos y un efecto modulador en los receptores metabotrópicos. Del mismo modo, el GABA actúa sobre varios tipos de receptores, pero todos ellos tienen efectos inhibidores (al menos en animales adultos). Debido a esta consistencia, es común que los neurocientíficos se refieran a las células que liberan glutamato como "neuronas excitadoras" y a las células que liberan GABA como "neuronas inhibidoras". Algunos otros tipos de neuronas tienen efectos consistentes, por ejemplo, neuronas motoras "excitatorias" en la médula espinal que liberan acetilcolina y neuronas espinales "inhibidoras" que liberan glicina.

La distinción entre neurotransmisores excitatorios e inhibidores no es absoluta. Más bien, depende de la clase de receptores químicos presentes en la neurona postsináptica. En principio, una sola neurona, que libera un solo neurotransmisor, puede tener efectos de excitación en algunos objetivos, efectos de inhibición en otros y efectos de modulación en otros aún. Por ejemplo, las células fotorreceptoras de la retina liberan constantemente el neurotransmisor glutamato en ausencia de luz. Las llamadas células bipolares OFF son, como la mayoría de las neuronas, excitadas por el glutamato liberado. Sin embargo, las neuronas objetivo vecinas llamadas células bipolares ON son inhibidas por el glutamato, porque carecen de los receptores de glutamato ionotrópicos típicos y, en cambio, expresan una clase de receptores de glutamato metabotrópicos inhibidores.Cuando hay luz, los fotorreceptores dejan de liberar glutamato, lo que alivia la inhibición de las células bipolares ON, activándolas; esto elimina simultáneamente la excitación de las células bipolares OFF, silenciándolas.

Es posible identificar el tipo de efecto inhibidor que tendrá una neurona presináptica sobre una neurona postsináptica, en función de las proteínas que expresa la neurona presináptica. Las neuronas que expresan parvalbúmina típicamente amortiguan la señal de salida de la neurona postsináptica en la corteza visual, mientras que las neuronas que expresan somatostatina típicamente bloquean las entradas dendríticas a la neurona postsináptica.

Patrones de descarga

Las neuronas tienen propiedades electrosensibles intrínsecas como patrones oscilatorios de voltaje transmembrana intrínsecos. Así las neuronas se pueden clasificar según sus características electrofisiológicas:

• Aditivos tónicos o regulares. Algunas neuronas suelen estar constantemente (tónicamente) activas, normalmente disparando a una frecuencia constante. Ejemplo: interneuronas en neurostriatum.
• Fásico o de explosión. Las neuronas que disparan en ráfagas se llaman fásicas.
• Ráfagas. Algunas neuronas se destacan por sus altas tasas de disparo, por ejemplo, algunos tipos de interneuronas inhibidoras corticales, células en el globo pálido, células ganglionares de la retina.

Neurotransmisor

Los neurotransmisores son mensajeros químicos que pasan de una neurona a otra neurona o a una célula muscular o glándula.

• Neuronas colinérgicas: acetilcolina. La acetilcolina se libera de las neuronas presinápticas en la hendidura sináptica. Actúa como un ligando tanto para los canales iónicos controlados por ligando como para los receptores muscarínicos metabotrópicos (GPCR). Los receptores nicotínicos son canales iónicos activados por ligandos pentaméricos compuestos por subunidades alfa y beta que se unen a la nicotina. La unión del ligando abre el canal que provoca la entrada de despolarización de Na y aumenta la probabilidad de liberación de neurotransmisores presinápticos. La acetilcolina se sintetiza a partir de colina y acetil coenzima A.
• Neuronas adrenérgicas: noradrenalina. La noradrenalina (norepinefrina) se libera de la mayoría de las neuronas posganglionares del sistema nervioso simpático en dos conjuntos de GPCR: adrenoceptores alfa y adrenoceptores beta. La noradrenalina es uno de los tres neurotransmisores de catecolaminas comunes y el más frecuente de ellos en el sistema nervioso periférico; al igual que otras catecolaminas, se sintetiza a partir de la tirosina.
• Neuronas GABAérgicas – ácido gamma aminobutírico. GABA es uno de los dos neuroinhibidores del sistema nervioso central (SNC), junto con la glicina. GABA tiene una función homóloga a la ACh, activando los canales de aniones que permiten que los iones de Cl entren en la neurona postsináptica. Cl causa hiperpolarización dentro de la neurona, lo que disminuye la probabilidad de que se dispare un potencial de acción a medida que el voltaje se vuelve más negativo (para que se dispare un potencial de acción, se debe alcanzar un umbral de voltaje positivo). GABA se sintetiza a partir de neurotransmisores de glutamato por la enzima glutamato descarboxilasa.
• Neuronas glutamatérgicas – glutamato. El glutamato es uno de los dos principales neurotransmisores de aminoácidos excitatorios, junto con el aspartato. Los receptores de glutamato son una de cuatro categorías, tres de los cuales son canales iónicos activados por ligando y uno de los cuales es un receptor acoplado a proteína G (a menudo denominado GPCR).

1. Los receptores AMPA y Kainato funcionan como canales catiónicos permeables a los canales catiónicos de Na que median la transmisión sináptica excitatoria rápida.
2. Los receptores NMDA son otro canal catiónico que es más permeable al Ca. La función de los receptores NMDA depende de la unión del receptor de glicina como coagonista dentro del poro del canal. Los receptores NMDA no funcionan sin la presencia de ambos ligandos.
3. Los receptores metabotrópicos, los GPCR modulan la transmisión sináptica y la excitabilidad postsináptica.

El glutamato puede causar excitotoxicidad cuando se interrumpe el flujo de sangre al cerebro, lo que provoca daño cerebral. Cuando se suprime el flujo sanguíneo, se libera glutamato de las neuronas presinápticas, lo que provoca una mayor activación de los receptores NMDA y AMPA de lo normal fuera de las condiciones de estrés, lo que lleva a un aumento de Ca y Na que ingresa a la neurona postsináptica y al daño celular. El glutamato se sintetiza a partir del aminoácido glutamina por la enzima glutamato sintasa.

• Neuronas dopaminérgicas: dopamina. La dopamina es un neurotransmisor que actúa sobre los receptores acoplados a Gs de tipo D1 (D1 y D5), que aumentan el AMPc y la PKA, y los receptores de tipo D2 (D2, D3 y D4), que activan los receptores acoplados a Gi que disminuyen el AMPc y la PKA. La dopamina está conectada con el estado de ánimo y el comportamiento y modula la neurotransmisión pre y postsináptica. La pérdida de neuronas de dopamina en la sustancia negra se ha relacionado con la enfermedad de Parkinson. La dopamina se sintetiza a partir del aminoácido tirosina. La tirosina es catalizada en levodopa (o L-DOPA) por la tirosina hidroxilasa, y luego la levodopa es convertida en dopamina por la descarboxilasa de aminoácidos aromáticos.
• Neuronas serotoninérgicas: serotonina. La serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT) puede actuar como excitadora o inhibitoria. De sus cuatro clases de receptores 5-HT, 3 son GPCR y 1 es un canal catiónico activado por ligando. La serotonina se sintetiza a partir del triptófano por la triptófano hidroxilasa y luego por la descarboxilasa. La falta de 5-HT en las neuronas postsinápticas se ha relacionado con la depresión. Para el tratamiento se utilizan fármacos que bloquean el transportador presináptico de serotonina, como Prozac y Zoloft.
• Neuronas purinérgicas: ATP. El ATP es un neurotransmisor que actúa tanto en los canales iónicos activados por ligandos (receptores P2X) como en los receptores GPCR (P2Y). ATP es, sin embargo, mejor conocido como cotransmisor. Dicha señalización purinérgica también puede estar mediada por otras purinas como la adenosina, que actúa particularmente en los receptores P2Y.
• Neuronas histaminérgicas: histamina. La histamina es un neurotransmisor y neuromodulador de monoamina. Las neuronas productoras de histamina se encuentran en el núcleo tuberomamilar del hipotálamo. La histamina está implicada en la excitación y en la regulación de los comportamientos de sueño/vigilia.

Clasificación multimodelo

Desde 2012, la comunidad de neurociencia celular y computacional se ha esforzado por crear una clasificación universal de neuronas que se aplique a todas las neuronas del cerebro, así como a todas las especies. Esto se hace considerando las tres cualidades esenciales de todas las neuronas: electrofisiología, morfología y el transcriptoma individual de las células. Además de ser universal, esta clasificación tiene la ventaja de poder clasificar también a los astrocitos. El Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro utiliza ampliamente un método llamado Patch-Seq en el que se pueden medir las tres cualidades a la vez.

Conectividad

Las neuronas se comunican entre sí a través de sinapsis, donde la terminal del axón de una célula entra en contacto con la dendrita, el soma o, con menos frecuencia, el axón de otra neurona. Las neuronas, como las células de Purkinje en el cerebelo, pueden tener más de 1000 ramas dendríticas, que se conectan con decenas de miles de otras células; otras neuronas, como las neuronas magnocelulares del núcleo supraóptico, tienen solo una o dos dendritas, cada una de las cuales recibe miles de sinapsis.

Las sinapsis pueden ser excitatorias o inhibitorias, aumentando o disminuyendo la actividad en la neurona objetivo, respectivamente. Algunas neuronas también se comunican a través de sinapsis eléctricas, que son uniones conductoras eléctricas directas entre células.

Cuando un potencial de acción alcanza la terminal del axón, abre canales de calcio dependientes de voltaje, lo que permite que los iones de calcio entren en la terminal. El calcio hace que las vesículas sinápticas llenas de moléculas de neurotransmisores se fusionen con la membrana, liberando su contenido en la hendidura sináptica. Los neurotransmisores se difunden a través de la hendidura sináptica y activan receptores en la neurona postsináptica. El calcio citosólico alto en la terminal del axón desencadena la captación de calcio mitocondrial que, a su vez, activa el metabolismo energético mitocondrial para producir ATP para apoyar la neurotransmisión continua.

Una autapsis es una sinapsis en la que el axón de una neurona se conecta a sus propias dendritas.

El cerebro humano tiene unas 8,6 x 10 (ochenta y seis mil millones) de neuronas. Cada neurona tiene una media de 7.000 conexiones sinápticas con otras neuronas. Se ha estimado que el cerebro de un niño de tres años tiene unas 10 sinapsis (un cuatrillón). Este número disminuye con la edad y se estabiliza en la edad adulta. Las estimaciones varían para un adulto, desde 10 a 5 x 10 sinapsis (100 a 500 billones).

Señalización no electroquímica

Más allá de la señalización eléctrica y química, los estudios sugieren que las neuronas en los cerebros humanos sanos también pueden comunicarse a través de:

• fuerza generada por el agrandamiento de las espinas dendríticas
• la transferencia de proteínas: proteínas transportadas transneuronalmente (TNTP)

También pueden ser modulados por la entrada del medio ambiente y las hormonas liberadas por otras partes del organismo, que podrían estar influenciadas más o menos directamente por las neuronas. Esto también se aplica a las neurotrofinas como BDNF. El microbioma intestinal también está conectado con el cerebro.

Mecanismos de propagación de potenciales de acción

En 1937, John Zachary Young sugirió que el axón gigante del calamar podría usarse para estudiar las propiedades eléctricas neuronales. Es más grande que las neuronas humanas, pero similar a ellas, lo que facilita su estudio. Mediante la inserción de electrodos en los axones gigantes del calamar, se realizaron mediciones precisas del potencial de membrana.

La membrana celular del axón y el soma contienen canales iónicos dependientes de voltaje que permiten que la neurona genere y propague una señal eléctrica (un potencial de acción). Algunas neuronas también generan oscilaciones de potencial de membrana por debajo del umbral. Estas señales son generadas y propagadas por iones portadores de carga, incluidos sodio (Na ), potasio (K ), cloruro (Cl ) y calcio (Ca).

Varios estímulos pueden activar una neurona que conduce a la actividad eléctrica, incluidos la presión, el estiramiento, los transmisores químicos y los cambios del potencial eléctrico a través de la membrana celular. Los estímulos hacen que se abran canales iónicos específicos dentro de la membrana celular, lo que conduce a un flujo de iones a través de la membrana celular, cambiando el potencial de membrana. Las neuronas deben mantener las propiedades eléctricas específicas que definen su tipo de neurona.

Las neuronas y los axones delgados requieren menos gastos metabólicos para producir y transportar potenciales de acción, pero los axones más gruesos transmiten los impulsos con mayor rapidez. Para minimizar el gasto metabólico mientras se mantiene una conducción rápida, muchas neuronas tienen vainas aislantes de mielina alrededor de sus axones. Las vainas están formadas por células gliales: oligodendrocitos en el sistema nervioso central y células de Schwann en el sistema nervioso periférico. La vaina permite que los potenciales de acción viajen más rápido que en los axones no mielinizados del mismo diámetro, utilizando menos energía. La vaina de mielina en los nervios periféricos normalmente discurre a lo largo del axón en secciones de alrededor de 1 mm de largo, puntuadas por nódulos de Ranvier sin vaina, que contienen una alta densidad de canales iónicos dependientes de voltaje. La esclerosis múltiple es un trastorno neurológico que resulta de la desmielinización de los axones en el sistema nervioso central.

Algunas neuronas no generan potenciales de acción, sino que generan una señal eléctrica graduada, que a su vez provoca la liberación gradual de neurotransmisores. Tales neuronas que no generan picos tienden a ser neuronas sensoriales o interneuronas, porque no pueden transportar señales a largas distancias.

Codificación neuronal

La codificación neuronal se ocupa de cómo las neuronas representan la información sensorial y de otro tipo en el cerebro. El objetivo principal del estudio de la codificación neuronal es caracterizar la relación entre el estímulo y las respuestas neuronales individuales o grupales, y las relaciones entre las actividades eléctricas de las neuronas dentro del conjunto. Se cree que las neuronas pueden codificar información tanto digital como analógica.

Principio de todo o nada

La conducción de los impulsos nerviosos es un ejemplo de una respuesta de todo o nada. En otras palabras, si una neurona responde en absoluto, entonces debe responder completamente. Una mayor intensidad de estimulación, como una imagen más brillante o un sonido más fuerte, no produce una señal más fuerte, pero puede aumentar la frecuencia de activación. Los receptores responden de diferentes maneras a los estímulos. Los receptores tónicos o de adaptación lenta responden a estímulos constantes y producen una frecuencia constante de activación. Los receptores tónicos responden con mayor frecuencia al aumento de la intensidad del estímulo aumentando su frecuencia de activación, por lo general como una función de potencia del estímulo graficada frente a los impulsos por segundo. Esto se puede comparar con una propiedad intrínseca de la luz donde una mayor intensidad de una frecuencia específica (color) requiere más fotones, ya que los fotones no pueden volverse "más fuertes" para una frecuencia específica.

Otros tipos de receptores incluyen receptores fásicos o de adaptación rápida, donde la activación disminuye o se detiene con un estímulo constante; los ejemplos incluyen la piel que, cuando se toca, hace que las neuronas se activen, pero si el objeto mantiene una presión uniforme, las neuronas dejan de activarse. Las neuronas de la piel y los músculos que responden a la presión y la vibración tienen estructuras accesorias de filtrado que ayudan a su función.

El corpúsculo de Pacini es una de esas estructuras. Tiene capas concéntricas como una cebolla, que se forman alrededor de la terminal del axón. Cuando se aplica presión y se deforma el corpúsculo, el estímulo mecánico se transfiere al axón, que se dispara. Si la presión es constante, el estímulo termina; por lo tanto, típicamente estas neuronas responden con una despolarización transitoria durante la deformación inicial y nuevamente cuando se elimina la presión, lo que hace que el corpúsculo cambie de forma nuevamente. Otros tipos de adaptación son importantes para extender la función de otras neuronas.

Etimología y ortografía

El anatomista alemán Heinrich Wilhelm Waldeyer introdujo el término neurona en 1891, basado en el griego antiguo νεῦρον neuron 'tendón, cordón, nervio'.

La palabra fue adoptada en francés con la grafía neurona. Esa ortografía también fue utilizada por muchos escritores en inglés, pero ahora se ha vuelto rara en el uso estadounidense y poco común en el uso británico.

Historia

El lugar de la neurona como unidad funcional primaria del sistema nervioso fue reconocido por primera vez a fines del siglo XIX a través del trabajo del anatomista español Santiago Ramón y Cajal.

Para hacer visible la estructura de las neuronas individuales, Ramón y Cajal mejoró un proceso de tinción con plata que había sido desarrollado por Camillo Golgi. El proceso mejorado involucra una técnica llamada "doble impregnación" y todavía está en uso.

En 1888 Ramón y Cajal publicó un artículo sobre el cerebelo de las aves. En este artículo, afirmó que no pudo encontrar evidencia de anastomosis entre axones y dendritas y llamó a cada elemento nervioso "un cantón absolutamente autónomo". Esto se conoció como la doctrina de la neurona, uno de los principios centrales de la neurociencia moderna.

En 1891, el anatomista alemán Heinrich Wilhelm Waldeyer escribió una revisión muy influyente de la doctrina de la neurona en la que introdujo el término neurona para describir la unidad anatómica y fisiológica del sistema nervioso.

Las tinciones de impregnación de plata son un método útil para las investigaciones neuroanatómicas porque, por razones desconocidas, tiñe solo un pequeño porcentaje de células en un tejido, exponiendo la microestructura completa de las neuronas individuales sin mucha superposición con otras células.

Doctrina de la neurona

La doctrina de las neuronas es la idea ahora fundamental de que las neuronas son las unidades estructurales y funcionales básicas del sistema nervioso. La teoría fue propuesta por Santiago Ramón y Cajal a finales del siglo XIX. Sostenía que las neuronas son células discretas (no conectadas en una malla), que actúan como unidades metabólicamente distintas.

Descubrimientos posteriores produjeron refinamientos a la doctrina. Por ejemplo, las células gliales, que no son neuronales, juegan un papel esencial en el procesamiento de la información. Además, las sinapsis eléctricas son más comunes de lo que se pensaba anteriormente y comprenden conexiones citoplasmáticas directas entre neuronas. De hecho, las neuronas pueden formar acoplamientos aún más estrechos: el axón gigante del calamar surge de la fusión de múltiples axones.

Ramón y Cajal también postuló la Ley de Polarización Dinámica, que establece que una neurona recibe señales en sus dendritas y cuerpo celular y las transmite, como potenciales de acción, a lo largo del axón en una dirección: lejos del cuerpo celular. La Ley de Polarización Dinámica tiene importantes excepciones; las dendritas pueden servir como sitios de salida sináptica de las neuronas y los axones pueden recibir entradas sinápticas.

Modelado compartimental de neuronas

Aunque las neuronas a menudo se describen como "unidades fundamentales" del cerebro, realizan cálculos internos. Las neuronas integran información dentro de las dendritas, y esta complejidad se pierde en los modelos que asumen que las neuronas son una unidad fundamental. Las ramas dendríticas se pueden modelar como compartimentos espaciales, cuya actividad está relacionada debido a las propiedades de la membrana pasiva, pero también pueden ser diferentes según la entrada de las sinapsis. El modelado compartimental de las dendritas es especialmente útil para comprender el comportamiento de las neuronas que son demasiado pequeñas para registrarlas con electrodos, como es el caso de Drosophila melanogaster.

Neuronas en el cerebro

El número de neuronas en el cerebro varía dramáticamente de una especie a otra. En un ser humano, se estima que hay entre 10 y 20 mil millones de neuronas en la corteza cerebral y entre 55 y 70 mil millones de neuronas en el cerebelo. Por el contrario, el gusano nematodo Caenorhabditis elegans tiene solo 302 neuronas, lo que lo convierte en un organismo modelo ideal, ya que los científicos han podido mapear todas sus neuronas. La mosca de la fruta Drosophila melanogaster, un sujeto común en los experimentos biológicos, tiene alrededor de 100.000 neuronas y exhibe muchos comportamientos complejos. Muchas propiedades de las neuronas, desde el tipo de neurotransmisores utilizados hasta la composición de los canales iónicos, se mantienen en todas las especies, lo que permite a los científicos estudiar procesos que ocurren en organismos más complejos en sistemas experimentales mucho más simples.

Desórdenes neurológicos

La enfermedad de Charcot-Marie-Tooth (CMT) es un trastorno heterogéneo hereditario de los nervios (neuropatía) que se caracteriza por la pérdida del tejido muscular y la sensación táctil, predominantemente en los pies y las piernas, extendiéndose a las manos y los brazos en etapas avanzadas. Actualmente incurable, esta enfermedad es uno de los trastornos neurológicos hereditarios más comunes, con 36 de cada 100.000 afectados.

La enfermedad de Alzheimer (EA), también conocida simplemente como Alzheimer, es una enfermedad neurodegenerativa caracterizada por un deterioro cognitivo progresivo, junto con una disminución de las actividades de la vida diaria y síntomas neuropsiquiátricos o cambios de comportamiento. El síntoma temprano más llamativo es la pérdida de la memoria a corto plazo (amnesia), que por lo general se manifiesta como olvidos menores que se vuelven cada vez más pronunciados con la progresión de la enfermedad, con una conservación relativa de los recuerdos más antiguos. A medida que avanza el trastorno, el deterioro cognitivo (intelectual) se extiende a los dominios del lenguaje (afasia), movimientos hábiles (apraxia) y reconocimiento (agnosia), y se deterioran funciones como la toma de decisiones y la planificación.

La enfermedad de Parkinson (EP), también conocida como enfermedad de Parkinson, es un trastorno degenerativo del sistema nervioso central que a menudo afecta las habilidades motoras y el habla. La enfermedad de Parkinson pertenece a un grupo de condiciones llamadas trastornos del movimiento. Se caracteriza por rigidez muscular, temblor, ralentización del movimiento físico (bradicinesia) y, en casos extremos, pérdida del movimiento físico (acinesia). Los síntomas primarios son el resultado de la disminución de la estimulación de la corteza motora por parte de los ganglios basales, normalmente causada por la formación y acción insuficientes de la dopamina, que se produce en las neuronas dopaminérgicas del cerebro. Los síntomas secundarios pueden incluir disfunción cognitiva de alto nivel y problemas de lenguaje sutiles. La EP es tanto crónica como progresiva.

La miastenia gravis es una enfermedad neuromuscular que provoca debilidad muscular fluctuante y fatigabilidad durante actividades sencillas. La debilidad generalmente es causada por anticuerpos circulantes que bloquean los receptores de acetilcolina en la unión neuromuscular postsináptica, lo que inhibe el efecto estimulante del neurotransmisor acetilcolina. La miastenia se trata con inmunosupresores, inhibidores de la colinesterasa y, en casos seleccionados, timectomía.

Desmielinización

La desmielinización es el acto de desmielinizar, o la pérdida de la vaina de mielina que aísla los nervios. Cuando la mielina se degrada, la conducción de señales a lo largo del nervio puede verse afectada o perderse, y el nervio finalmente se marchita. Esto conduce a ciertos trastornos neurodegenerativos como la esclerosis múltiple y la polineuropatía desmielinizante inflamatoria crónica.

Degeneración axonal

Aunque la mayoría de las respuestas a las lesiones incluyen una señal de entrada de calcio para promover el resellado de las partes cortadas, las lesiones axonales conducen inicialmente a una degeneración axonal aguda, que es la separación rápida de los extremos proximal y distal, que ocurre dentro de los 30 minutos posteriores a la lesión. La degeneración sigue con la inflamación del axolema y, finalmente, conduce a la formación de perlas. La desintegración granular del citoesqueleto axonal y los orgánulos internos ocurre después de la degradación del axolema. Los primeros cambios incluyen la acumulación de mitocondrias en las regiones paranodales en el sitio de la lesión. El retículo endoplásmico se degrada y las mitocondrias se hinchan y eventualmente se desintegran. La desintegración depende de las proteasas de ubiquitina y calpaína (causadas por la entrada de iones de calcio), lo que sugiere que la degeneración axonal es un proceso activo que produce una fragmentación completa. El proceso dura aproximadamente 24 horas en el SNP y más en el SNC. Se desconocen las vías de señalización que conducen a la degeneración del axolema.

Neurogénesis

Las neuronas nacen a través del proceso de neurogénesis, en el que las células madre neurales se dividen para producir neuronas diferenciadas. Una vez que se forman las neuronas completamente diferenciadas, ya no son capaces de sufrir mitosis. La neurogénesis ocurre principalmente en el embrión de la mayoría de los organismos.

La neurogénesis adulta puede ocurrir y los estudios de la edad de las neuronas humanas sugieren que este proceso ocurre solo para una minoría de células, y que la gran mayoría de las neuronas en la neocorteza se forman antes del nacimiento y persisten sin reemplazo. El grado en que existe la neurogénesis adulta en humanos y su contribución a la cognición son controvertidos, con informes contradictorios publicados en 2018.

El cuerpo contiene una variedad de tipos de células madre que tienen la capacidad de diferenciarse en neuronas. Los investigadores encontraron una forma de transformar las células de la piel humana en células nerviosas mediante la transdiferenciación, en la que "las células se ven obligadas a adoptar nuevas identidades".

Durante la neurogénesis en el cerebro de los mamíferos, las células madre y progenitoras progresan desde divisiones proliferativas hasta divisiones diferenciativas. Esta progresión conduce a las neuronas y la glía que pueblan las capas corticales. Las modificaciones epigenéticas juegan un papel clave en la regulación de la expresión génica en la diferenciación de las células madre neurales y son fundamentales para la determinación del destino celular en el cerebro de mamíferos adultos y en desarrollo. Las modificaciones epigenéticas incluyen la metilación de la citosina del ADN para formar 5-metilcitosina y la desmetilación de la 5-metilcitosina. Estas modificaciones son críticas para la determinación del destino celular en el cerebro de mamíferos adultos y en desarrollo. La metilación de la citosina del ADN es catalizada por las ADN metiltransferasas (DNMT). La desmetilación de la metilcitosina es catalizada en varias etapas por enzimas TET que llevan a cabo reacciones oxidativas (p. ej., 5-metilcitosina a 5-hidroximetilcitosina) y enzimas de la vía de reparación por escisión de la base del ADN (BER).

En diferentes etapas del desarrollo del sistema nervioso de los mamíferos, se emplean dos procesos de reparación del ADN en la reparación de roturas de doble cadena del ADN. Estas vías son la reparación de recombinación homóloga utilizada en la proliferación de células precursoras neurales, y la unión de extremos no homólogos utilizada principalmente en etapas de desarrollo posteriores.

Regeneración nerviosa

Los axones periféricos pueden volver a crecer si se cortan, pero una neurona no puede ser reemplazada funcionalmente por otra de otro tipo (ley de Llinás).