RUTH BENAVIDES-PICCIONE: ESPINAS DENDRÍTICAS Y SINAPTOMA

 

La profesora Ruth Benavides-Piccione forma parte de la élite mundial de la Neurociencia que, en las últimas décadas, nos está descubriendo la estructura y función de las espinas dendríticas. Las espinas dendríticas son pequeñas protrusiones que emergen de las dendritas. Son elementos postsinápticos de sinapsis excitatorias situadas en la corteza cerebral y su desarrollo y estructura resultan fundamentales para los procesos cognitivos superiores.

Investigadora científica del CSIC , forma parte del Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales (UPM), liderado por ese gran maestro de Neurocientíficos que es el Dr. Javier DeFelipe. Allí, la profesora Benavides-Piccione, junto a un excelente grupo de investigación, se dedica a analizar la organización microanatómica de la corteza cerebral.

Más de 50 publicaciones punteras y de alto impacto avalan su trayectoria y es un verdadero honor el haber podido recabar en este blog algunas de sus indagaciones en esta breve entrevista.

  

PREGUNTAS

-P. Estimada profesora: en esta entrevista nos vamos a centrar en dos de sus artículos colectivos. Uno analiza la estructura de las espinas dendríticas en humanos en función de la edad. El otro afronta el reto de analizar la arquitectura del sinaptoma del cerebro del ratón.  Por empezar con la cuestión de las espinas dendríticas, ¿querría, por favor, realizarnos un breve resumen de cómo se van perdiendo las espinas en una persona mayor frente a una persona madura a través de los resultados aportados por el software IMARIS?

 

-R. Las espinas dendríticas de las células piramidales son el lugar principal donde se forman las sinapsis excitadoras de la corteza cerebral. Se sabe que estas estructuras son sensibles a la edad y se modifican en densidad y forma a lo largo de la vida. Sin embargo hasta entonces no se había estudiado en detalle la morfología  de las espinas dendríticas en humanos. Lo que hemos visto en este estudio, en el que hemos reconstruido y analizado en 3D a alta resolución más de 8000 espinas en distintos compartimentos de las células piramidales de la corteza cerebral humana, es que hay una gran variedad de morfologías de espinas humanas y que con la edad no todas las espinas se pierden por igual, sino que hay determinadas poblaciones de espinas (las espinas más cortas y más pequeñas del compartimento basal y las más largas del compartimento apical) que tienden a disminuir en mayor proporción que otras. Es decir, que con la edad se produce una pérdida selectiva de las espinas dendríticas, en los distintos compartimentos de las células piramidales que forman parte de los circuitos cerebrales.

 

 -P. ¿Hay alguna hipótesis al respecto (aparte de la lógica pérdida debida al proceso de envejecimiento) de por qué se produce este fenómeno? ¿Es una pérdida lenta en cerebros sanos o parece ser más progresiva?

 

-R. La morfología de las espinas está relacionada con su función. Por ello, se considera que las espinas pequeñas son lugares preferenciales para la inducción de la potenciación a largo plazo, mientras que las espinas más grandes representarían rastros de memoria a largo plazo. Así, la mayor presencia de espinas pequeñas en una persona madura frente a una persona mayor podría estar relacionado con un mayor potencial para la plasticidad y aprendizaje en la persona madura frente a la persona mayor.  Por el contrario, durante el envejecimiento se produciría una pérdida de espinas que provocaría un descenso en la capacidad para integrar información en todos los compartimentos de las células piramidales. Además, puesto que existe una perdida selectiva de espinas pequeñas, se reducirían los lugares preferenciales para la inducción de la potenciación a largo plazo, por lo que se producirían alteraciones en el aprendizaje y memoria en el cerebro de la persona mayor.

Esta discapacidad cognitiva que se asocia a la senectud en el cerebro sano estaría relacionada con el compromiso de comunicación sináptica del propio circuito. Es decir, que la vulnerabilidad de los circuitos dependería de la redundancia de los mismos. Así, el envejecimiento no afectaría por igual a todos los individuos, existiendo personas mayores con elevadas capacidades que no verían comprometidas su funciones cognitivas al poseer un elevado grado de redundancia en su circuitos.

El potencial para incrementar las conexiones neuronales se basa en que el cerebro es una estructura plástica que se modifica con la experiencia. Así, el ejercicio mental (o “gimnasia cerebral” como decía Cajal), permitiría incrementar las conexiones neuronales de los circuitos como respuesta a un estímulo continuado.  Por este motivo,  la influencia de la cultura y la educación es crítica a la hora de facilitar el desarrollo de ciertos procesos mentales a lo largo de nuestra vida.

 

 -P.  Centrándonos en la reconstrucción del sinaptoma del cerebro del ratón, recientemente presentada en un artículo en la revista Neuron. Se trata de un hito en la exploración cerebral, un resultado largamente esperado. Una conclusión interesante es que las áreas que parecen controlar las funciones cognitivas superiores presentan una mayor diversidad sináptica. ¿Se corrobora así que, a mayor especialización, mayor complejidad o todavía hay que esperar a posteriores investigaciones?

 

-R. En este trabajo se ha conseguido, por primera vez, generar mapas a nivel sináptico de cada una de las regiones del cerebro del ratón. Mediante técnicas de marcaje genético e imagen se ha estudiado la distribución de varias proteínas sinápticas a lo largo de las distintas regiones del cerebro del ratón. Se ha observado que existe una diversidad sináptica en las diferentes regiones cerebrales, que es característica de cada área. En particular,  la mayor diversidad sináptica se encontró en regiones implicadas en funciones cognitivas superiores como el hipocampo y neocorteza, mientras que otras regiones implicadas en funciones más básicas como el tronco de encéfalo, mostraron la menor diversidad sináptica. En este artículo se muestra que la diversidad sináptica podría ser un mecanismo importante de representación de información en el cerebro y muestra la relación entre la arquitectura y la función cerebral. En la actualidad existe suficiente evidencia para afirmar que las regiones que presentan mayor complejidad estructural se encuentran implicadas en las funciones más complejas.

 

-P. Otro hallazgo fascinante es que los desórdenes cognitivos provocados por mutaciones parecen dar lugar a reorganizaciones del conectoma. ¿Podría, por favor, dar cuenta de una manera detallada de este proceso?

 

 -R. Los mapas sinápticos que se han obtenido coinciden en gran medida con la estructura del conectoma (conectividad entre axones y dendritas), lo que apoya la implicación de la diversidad sináptica en la especificación de las conexiones y a nivel de organización del sistema. Por tanto, la distribución diferencial de proteínas sinápticas podría ser un mecanismo que podría dar lugar a una diversidad funcional a la hora de conformar la actividad del circuito. En ese sentido, puesto que la diversidad sináptica podría ser un mecanismo importante de representación de información en el cerebro, aquellas mutaciones que reorganizaran la diversidad sináptica podrían resultar en alteraciones en esta diversidad y por tanto producir cambios en la funcionalidad de los circuitos. Es decir que la organización espacial de la diversidad sináptica se podría representar mediante unos mapas, cuya reorganización significaría cambios en el en la actividad neural, que alterarían la representación almacenada y, por tanto, al cambiar los patrones de actividad se produciría una salida espaciotemporal diferente del circuito, dando lugar a un comportamiento diferente.

 

Le doy las gracias por haber atendido esta breve entrevista y deseo que sus investigaciones y las de sus colegas nos sigan abriendo caminos para entender el órgano más complejo del Universo.

(Esta entrevista fue publicada en SCILOGS de Investigación y Ciencia en diciembre de 2018).

 Referencias

 

Benavides-Piccione, R., Fernaud-Espinosa I., Robles V., Yuste, R. y J. DeFelipe. Age-based comparison of human dendritic spine structure using complete three-dimensional reconstructions. Cereb Cortex. 2012 Jun 17. [Epub ahead of print].

 

Zhu et al., Architecture of the mouse brain synaptome, Neuron (2018). Recuperado de https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6117470/pdf/main.pdf.