Un nuevo estudio de físicos y neurocientíficos de las universidades de Chicago, Harvard y Yale, describe cómo la conectividad entre neuronas se explica con los principios de networking y auto-organización, en lugar de las características biológicas de un organismo individual.

Este estudio, publicado el 17 de enero de 2024 en Nature Physics, describe con precisión la conectividad entre neuronas de una variedad de modelos de organismos y cómo puede ser aplicado a redes no biológicas tales como las interacciones sociales.

La doctora Stephanie Palmer, profesora asociada de física, biología y anatomía de la Universidad de Chicago, autora de este artículo, menciona que construyeron modelos simples que explicaran la conectividad entre neuronas. Sin embargo, ella menciona que no esperaba que el estudio terminará explicando la organización y conexión de las células cerebrales de manera satisfactoria^[1].

Definición y tipos de neuronas

Las neuronas son células especializadas en la recepción de estímulos y en la conducción del impulso nervioso. Aunque varían en tamaño y forma, todas poseen un cuerpo celular del cual se proyectan prolongaciones llamadas neuritas. Las dendritas reciben información y la transmiten hacia el cuerpo celular.  Por otro lado, el axón, una larga neurita tubular, conduce los impulsos desde el cuerpo celular (Fig.1). En conjunto, las dendritas y los axones se denominan fibras nerviosas^[2].

Las neuronas se encuentran en el encéfalo, la médula espinal y los ganglios. A diferencia de la mayoría de células, en el ser maduro las neuronas normales no se dividen ni se reproducen^[3].

Tipos de neuronas

El diámetro del cuerpo celular de las neuronas puede variar desde solo 5 micrómetros (µm) hasta 135 µm. Sin embargo, las prolongaciones o neuritas pueden extenderse mucho más allá, alcanzando distancias de más de 1 metro^[3]. Estas características morfológicas, como el número, la longitud y la forma de ramificación de las neuritas, son fundamentales para clasificar las neuronas.

Las neuronas unipolares presentan un cuerpo celular que tiene una sola neurita que se divide a corta distancia de él en dos ramas. Una de estas ramas se dirige hacia alguna estructura periférica, mientras que la otra ingresa en el sistema nervioso central. Las ramas de esta única neurita tienen las características estructurales y funcionales de un axón. Ejemplos de este tipo de neurona son hallados en el ganglio de la raíz posterior^[4].

Las neuronas bipolares presentan un cuerpo celular alargado del cual parte una sola neurita en cada uno de sus extremos. Estas neuronas se encuentran en las células bipolares de la retina y en las células de los ganglios sensitivos coclear y vestibular^[5].Por otro lado, las neuronas multipolares tienen numerosas neuritas que surgen directamente del cuerpo celular. A excepción de la prolongación larga, que es el axón, el resto de las neuritas son dendritas. La mayoría de las neuronas en el encéfalo y la médula espinal pertenecen a este tipo^[3].

Conexión neuronal

Las neuronas forman una red intrincada de conexiones que reciben estímulos provenientes del medio ambiente y son convertidos en impulsos nerviosos transmitidos de una neurona a otra. Aunque el gran número de conexiones puede parecer aleatorio, las redes de células cerebrales tienden a estar dominadas por un pequeño número de conexiones.

Esta distribución de conectividad entre neuronas se denomina “cola pesada”, debido a la forma que posee cuando es trazada en un gráfico. Esta forma el esqueleto de las conexiones que permite a los organismos pensar, aprender, comunicarse y moverse. A pesar de su importancia, los científicos no estaban seguros si la distribución de “cola pesada” surge por procesos biológicos o debido a principios básicos de organización de redes.

En este estudio se analizaron “conectomas”, o mapas de conexión de células cerebrales de varios animales de laboratorio, incluyendo moscas de fruta, gusanos y la retina de un ratón. Lo que los llevó a desarrollar un modelo basado en dinámicas Hebbianas, término acuñado por el psicólogo canadiense Donal Hebb que menciona que las neuronas que se disparan juntas, se conectan juntas. Esto significa que cuando más activas estén dos neuronas juntas, más fuerte se vuelve su conexión.

El estudio encontró que las dinámicas Hebbianas producen conexiones de “cola pesada” justo como lo vieron en los diferentes organismos. Los resultados indican que este tipo de organización surge de los principios de networking, en lugar de algo específico de la biología de las moscas de fruta, ratones o gusanos.

El modelo también proporcionó una explicación inesperada sobre otro fenómeno de redes llamado “agrupamiento”, que describe la tendencia de las células a vincularse con otras a través de las conexiones que comparten. Un buen ejemplo del “agrupamiento” sucede en situaciones sociales, donde, si una persona presenta a un amigo a otra persona, es más probable que estas últimas se hagan amigos que, si se hubieran conocido por separado.

Teniendo en cuenta la aleatoriedad

La Dra. Palmer menciona que la biología no siempre se ajusta a una explicación ordenada y limpia, y aún existe mucha aleatoriedad y ruido involucrado en las conexiones cerebrales. Las neuronas se desconectan a veces y se vuelven a conectar entre sí, purgando conexiones débiles y formando conexiones fuertes en otro lugar. Esta aleatoriedad provee una comprobación al modelo de organización Hebbiana propuesto en el estudio, sin la cual las conexiones fuertes crecerían para dominar la red. 

Los investigadores ajustaron el modelo propuesto para tener en consideración la aleatoriedad, lo cual mejoró su precisión. Christopher Lynn, profesor asistente de física en la Universidad de Yale, recalca que sin este ruido el modelo fallaría.

Finalmente, la Dra. Palmer destaca que logró hacer ciencia gracias a que su equipo de trabajo es multidisciplinario, y que ahora se encuentran enfocados en el estudio del cerebro, pero en el futuro abordarán otro tipo de redes.

Referencias

1. University of Chicago. (2024, 17 enero). Surprisingly simple model explains how brain cells organize and connect. ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240117143741.htm
2. Solomon, E. P., Berg, L. R., & Martin, D. W. (2013). Biología (9.^a ed.). Cengage Learning.
3. Snell, R. S. (2014). Neuroanatomía clínica (7.^a ed.). Lippincott Williams & Wilkins.
4. Megías, M., Molist, P., & Pombal, M. A. (2023). Neurona. https://mmegias.webs.uvigo.es/8-tipos-celulares/neurona.php
5. Montalvo Arenas, C. E. (2018). Tejido y sistema nervioso. En Universidad Nacional Autónoma de México. Universidad Nacional Autónoma de México. https://bct.facmed.unam.mx/wp-content/uploads/2018/08/tejidoysistemanerviosomontalvooct11.pdf