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Dendrita

La neurona contiene dendritas que reciben información, un cuerpo celular llamado soma y un axón que envía información a otras células a través de las sinapsis. Las células de Sc...

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La neurona contiene dendritas que reciben información, un cuerpo celular llamado soma y un axón que envía información a otras células a través de las sinapsis. Las células de Schwann hacen que las señales (potenciales de acción) se propaguen más rápidamente a lo largo del axón. Las dendritas de una neurona vecina se muestran en azul.

Una dendrita (del griego δένδρον déndron , "árbol") o dendrón es una prolongación citoplasmática ramificada que se extiende desde una célula nerviosa ; propaga la estimulación electroquímica recibida de otras células neuronales hasta el cuerpo celular, o soma , de la neurona desde la que se proyectan las dendritas. La estimulación eléctrica se transmite a las dendritas por neuronas anteriores (generalmente a través de sus axones ) mediante sinapsis que se encuentran en varios puntos a lo largo del árbol dendrítico. [ 1 ]

Las dendritas desempeñan un papel fundamental en la integración de estas entradas sinápticas y en la determinación del grado en que la neurona produce potenciales de acción . [ 2 ]

Estructura y función

El extenso árbol dendrítico de dos neuronas piramidales del hipocampo (magenta) con todas las sinapsis entrantes marcadas genéticamente (puntos verdes). [ 3 ]

Las dendritas son uno de los dos tipos de prolongaciones citoplasmáticas que se extienden desde el cuerpo celular de una neurona , siendo el otro tipo el axón . Los axones se pueden distinguir de las dendritas por varias características, incluyendo su forma, longitud y función. Las dendritas suelen afinarse y ser más cortas, mientras que los axones tienden a mantener un radio constante y pueden ser muy largos. Normalmente, los axones transmiten señales electroquímicas, mientras que las dendritas las reciben, aunque algunos tipos de neuronas en ciertas especies carecen de axones especializados y transmiten señales a través de sus dendritas. [ 4 ] Las dendritas proporcionan una superficie ampliada para recibir señales de las terminales axónicas de otras neuronas. [ 5 ] La dendrita de una célula piramidal grande recibe señales de aproximadamente 30 000 neuronas presinápticas. [ 6 ] Las sinapsis excitatorias terminan en las espinas dendríticas , pequeñas protrusiones de la dendrita con una alta densidad de receptores de neurotransmisores . La mayoría de las sinapsis inhibitorias contactan directamente con el tallo dendrítico.

La actividad sináptica provoca cambios locales en el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática de la dendrita. Este cambio en el potencial de membrana se propaga pasivamente a lo largo de la dendrita, pero se debilita con la distancia en ausencia de un potencial de acción . Para generar un potencial de acción, muchas sinapsis excitatorias deben estar activas simultáneamente, lo que produce una fuerte despolarización de la dendrita y del soma . El potencial de acción, que generalmente se origina en el cono axónico , se propaga a lo largo del axón hasta las terminales axónicas, donde desencadena la liberación de neurotransmisores. Además, si la señal se propaga hacia atrás dentro de la dendrita, se trata de una propagación retrógrada, que proporciona una señal importante para la plasticidad dependiente del tiempo de los potenciales de acción (STDP). [ 5 ]

La mayoría de las sinapsis son axodendríticas, en las que un axón envía señales a una dendrita. También existen sinapsis dendrodendríticas , en las que la señalización se produce entre dendritas. [ 7 ] Una autapsis es una sinapsis en la que el axón de una neurona transmite señales a su propia dendrita.

La estructura general de la dendrita se utiliza para clasificar las neuronas en multipolares , bipolares y unipolares . Las neuronas multipolares están compuestas por un axón y muchos árboles dendríticos. Las células piramidales son neuronas corticales multipolares con cuerpos celulares en forma de pirámide y grandes dendritas que se extienden hacia la superficie de la corteza ( dendrita apical ). Las neuronas bipolares tienen dos dendritas principales en los extremos opuestos del cuerpo celular. Muchas neuronas inhibitorias tienen esta morfología. Las neuronas unipolares, típicas de los insectos, tienen un tallo que se extiende desde el cuerpo celular, separándose en dos ramas, una con las dendritas y la otra con los botones terminales. En los vertebrados, las neuronas sensoriales que detectan el tacto o la temperatura son unipolares. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] La ramificación dendrítica puede ser extensa y, en algunos casos, suficiente para recibir hasta 100 000 entradas en una sola neurona. [ 5 ] [ 10 ]

Las neuronas desarrollan dendritas con formas muy específicas que determinan qué información se recibe y procesa; en términos sencillos: la estructura determina la función. Además, pequeños cambios moleculares pueden provocar cambios significativos en las funciones, lo que puede contribuir a trastornos del desarrollo. Los distintos tipos de células dendríticas utilizan mecanismos de maneras diferentes para generar diversos árboles dendríticos que conectan el sistema nervioso. [ 11 ]

Ciertos lípidos son importantes en los mecanismos de las dendritas. Los glicerofosfolípidos y sus proteínas interactivas son lípidos específicos cruciales para la iniciación y elongación involucradas en el crecimiento de las espinas y ramificaciones dendríticas. Si bien el mecanismo que sustenta la ramificación dendrítica no se comprende completamente, se ha descubierto que los fosfoinosítidos (PIP) en la membrana plasmática son un factor clave en la formación de las dendritas mediante señalización descendente. [ 12 ]

Historia

El término dendritas fue utilizado por primera vez en 1889 por Wilhelm His para describir la cantidad de "procesos protoplásmicos" más pequeños que estaban unidos a una célula nerviosa . [ 13 ] Generalmente se le atribuye al anatomista alemán Otto Friedrich Karl Deiters el descubrimiento del axón al distinguirlo de las dendritas.

Algunas de las primeras grabaciones intracelulares en un sistema nervioso fueron realizadas a finales de la década de 1930 por Kenneth S. Cole y Howard J. Curtis. El suizo Rüdolf Albert von Kölliker y el alemán Robert Remak fueron los primeros en identificar y caracterizar el segmento inicial del axón . Alan Hodgkin y Andrew Huxley también emplearon el axón gigante del calamar en 1939, y para 1952, habían obtenido una descripción cuantitativa completa de la base iónica del potencial de acción, lo que condujo a la formulación del modelo de Hodgkin-Huxley . Hodgkin y Huxley recibieron conjuntamente el Premio Nobel por este trabajo en 1963. Las fórmulas que detallan la conductancia axonal se extendieron a los vertebrados en las ecuaciones de Frankenhaeuser-Huxley. Louis-Antoine Ranvier fue el primero en describir los huecos o nodos que se encuentran en los axones y, por esta contribución, estas características axonales ahora se conocen comúnmente como los Nodos de Ranvier . Santiago Ramón y Cajal, anatomista español, propuso que los axones eran los componentes de salida de las neuronas. [ 14 ] También propuso que las neuronas eran células discretas que se comunicaban entre sí mediante uniones especializadas, o espacios entre células, ahora conocidos como sinapsis. Ramón y Cajal perfeccionó un proceso de tinción con plata conocido como método de Golgi, que había sido desarrollado por su rival, Camillo Golgi . [ 15 ]

Desarrollo dendrítico

Durante el desarrollo de las dendritas, varios factores pueden influir en la diferenciación . Estos incluyen la modulación de la entrada sensorial, los contaminantes ambientales, la temperatura corporal y el uso de drogas. [ 16 ] Por ejemplo, se encontró que las ratas criadas en ambientes oscuros tenían un número reducido de espinas en sus células piramidales ubicadas en la corteza visual primaria y un cambio marcado en la distribución de la ramificación dendrítica en las células estrelladas de la capa 4. [ 17 ] Los experimentos realizados in vitro e in vivo han demostrado que la presencia de aferentes y la actividad de entrada pueden modular los patrones en los que se diferencian las dendritas. [ 18 ]

Se sabe poco sobre el proceso mediante el cual las dendritas se orientan in vivo y se ven obligadas a crear el intrincado patrón de ramificación único de cada clase neuronal específica. Una teoría sobre el mecanismo del desarrollo del árbol dendrítico es la hipótesis sinaptotrópica . Esta hipótesis propone que la entrada de una célula presináptica a una postsináptica, y la maduración de las entradas sinápticas excitatorias, pueden eventualmente cambiar el curso de la formación de sinapsis en los árboles dendríticos y axónicos. [ 19 ] [ 20 ]

La formación de esta sinapsis es esencial para el desarrollo de la estructura neuronal en el cerebro funcional. Se presume que un equilibrio entre los costos metabólicos de la elaboración dendrítica y la necesidad de cubrir el campo receptivo determina el tamaño y la forma de las dendritas. Una compleja red de señales extracelulares e intracelulares modula el desarrollo dendrítico, incluyendo factores de transcripción, interacciones receptor-ligando, diversas vías de señalización, maquinaria de traducción local, elementos del citoesqueleto, centros de Golgi y endosomas. Estos contribuyen a la organización de las dendritas en los cuerpos celulares individuales y a su ubicación en los circuitos neuronales. Por ejemplo, se ha demostrado que la proteína de unión al código postal de la β-actina 1 (ZBP1) contribuye a la ramificación dendrítica adecuada. [ 21 ]

Se ha descubierto que la sustancia P induce la arborización dendrítica en las células de Purkinje del cerebelo . [ 22 ] Las vías secretoras y endocíticas importantes que controlan el desarrollo dendrítico incluyen DAR3/SAR1, DAR2/Sec23, DAR6/Rab1, etc. [ 23 ] Todas estas moléculas interactúan entre sí para controlar la morfogénesis dendrítica, incluyendo la adquisición de arborización dendrítica específica de tipo, la regulación del tamaño de las dendritas y la organización de las dendritas que emanan de diferentes neuronas. [ 2 ] [ 24 ]

Tipos de patrones dendríticos

La arborización dendrítica, también conocida como ramificación dendrítica, es un proceso biológico de múltiples etapas mediante el cual las neuronas forman nuevos árboles y ramas dendríticas para crear nuevas sinapsis. [ 2 ] En muchos organismos, las dendritas adoptan diferentes patrones morfológicos de ramificación. La morfología de las dendritas, como la densidad de ramificación y los patrones de agrupación, está altamente correlacionada con la función de la neurona. La malformación de las dendritas también está estrechamente relacionada con el deterioro de la función del sistema nervioso. [ 18 ]

Las morfologías ramificadas pueden adoptar una estructura adendrítica (que no tiene ramificación o no es arborescente) o una estructura de radiación arborescente. [ 25 ] Los patrones de arborización en forma de árbol pueden ser husos (donde dos dendritas irradian desde polos opuestos de un cuerpo celular con pocas ramificaciones, ver neuronas bipolares ), esféricos (donde las dendritas irradian en una parte o en todas las direcciones desde un cuerpo celular, ver células granulares cerebelosas ), laminares (donde las dendritas pueden irradiar planarmente, desplazadas del cuerpo celular por uno o más tallos, o multiplanarmente, ver células horizontales retinianas , células ganglionares retinianas , células amacrinas retinianas respectivamente), cilíndricos (donde las dendritas irradian en todas las direcciones en forma de cilindro, como un disco, ver neuronas palidales ), cónicos (las dendritas irradian como un cono alejándose del cuerpo celular, ver células piramidales ) o en abanico (donde las dendritas irradian como un abanico plano como en las células de Purkinje ).

Propiedades eléctricas

La estructura y ramificación de las dendritas de una neurona, así como la disponibilidad y variación de la conductancia iónica dependiente del voltaje , influyen notablemente en cómo la neurona integra la información proveniente de otras neuronas. Esta integración es tanto temporal, al implicar la suma de estímulos que llegan en rápida sucesión, como espacial, al conllevar la agregación de entradas excitatorias e inhibitorias de ramas separadas. [ 26 ]

Dendrites were once thought to merely convey electrical stimulation passively. This passive transmission means that voltage changes measured at the cell body are the result of activation of distal synapses propagating the electric signal towards the cell body without the aid of voltage-gated ion channels. Passive cable theory describes how voltage changes at a particular location on a dendrite transmit this electrical signal through a system of converging dendrite segments of different diameters, lengths, and electrical properties. Based on passive cable theory one can track how changes in a neuron's dendritic morphology impact the membrane voltage at the cell body, and thus how variation in dendrite architectures affects the overall output characteristics of the neuron. Dendrite radius has notable effects on resistance to electrical current, which in turn affects conduction time and speed. Dendrite branching optimizes of energy efficiency while maintaining functional connectivity by minimizing power and emphasizing effective signal transmission, supporting their roles in signal integration over longer times. This behavior seen in dendrites differs from that in axons, which give more priority to conduction time (and speed). Such tradeoffs influence overall neuronal structures, leading to a scaling relationship between conduction time and body size.[27][28][29]

Action potentials initiated at the axon hillock propagate back into the dendritic arbor. These back-propagating action potentials depolarize the dendritic membrane and provide a crucial signal for synapse modulation and long-term potentiation. Back-propagation is not completely passive, but modulated by the presence of dendritic voltage-gated potassium channels. Furthermore, in certain types of neurons, a train of back-propagating action potentials can induce a calcium action potential (a dendritic spike) at dendritic initiation zones.[30][31]

Neurotransmitter release

Las dendritas liberan una multitud de sustancias neuroactivas que no se limitan a una clase específica de neurotransmisor , molécula de señalización o área cerebral. Se observa que las dendritas liberan neurotransmisores como dopamina, GABA y glutamato de forma retrógrada . [ 32 ] En el sistema de péptidos hipotálamo-neurohipofisarios, la oxitocina y la vasopresina (hormona antidiurética o ADH) son neuropéptidos notables que se liberan de las dendritas de las células neurosecretoras magnocelulares (MCN), lo que les permite entrar rápidamente en el torrente sanguíneo. Los núcleos paraventriculares también liberan oxitocina y ADH de las dendritas, lo que permite la regulación de la hipófisis anterior, así como la modulación de los cambios parasimpáticos y simpáticos en órganos como el corazón y los riñones. Esto lo realizan las neuronas neurosecretoras parvocelulares y las neuronas preautonómicas parvocelulares, respectivamente. [ 33 ] En los sistemas nigroestriatal y mesolímbico , la dopamina se libera de las dendritas de las neuronas dopaminérgicas del mesencéfalo, influyendo en el procesamiento de la recompensa y las emociones, así como en el aprendizaje y la memoria. La pérdida de dopamina en la vía nigroestriatal afecta la actividad neuronal de los ganglios basales , desempeñando así un papel en el inicio de enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson . Se ha descubierto que la liberación dendrítica de oxitocina, ADH y dopamina tiene efectos tanto autocrinos como paracrinos sobre la propia neurona (y la glía cercana), así como sobre las terminaciones nerviosas aferentes . [ 34 ]

A través de las dendritas, estructuras complejas y polarizadas, se observan cambios estrechamente relacionados con numerosas enfermedades neurodegenerativas. Debido a la importancia de las dendritas para la función neuronal, es probable que el daño y las anomalías en estos componentes desempeñen un papel fundamental en el desarrollo de la enfermedad. El crecimiento dendrítico en condiciones normales, como los elementos del citoesqueleto y los orgánulos dentro de las dendritas, contribuye al conocimiento de las alteraciones en estos componentes que conducen a patologías neurodegenerativas. [ 35 ]

Plasticidad

Las dendritas parecen ser capaces de experimentar cambios plásticos durante la vida adulta de los animales, incluidos los invertebrados . [ 36 ] Las dendritas neuronales poseen diversos compartimentos conocidos como unidades funcionales, capaces de procesar los estímulos entrantes. Estas unidades funcionales participan en el procesamiento de la información y están compuestas por subdominios de las dendritas, como espinas, ramificaciones o grupos de ramificaciones. Por lo tanto, la plasticidad que conduce a cambios en la estructura dendrítica afectará la comunicación y el procesamiento celular. Durante el desarrollo, la morfología dendrítica se moldea mediante programas intrínsecos del genoma celular y factores extrínsecos, como señales de otras células. Sin embargo, en la vida adulta, las señales extrínsecas adquieren mayor influencia y provocan cambios más significativos en la estructura dendrítica en comparación con las señales intrínsecas durante el desarrollo. En las hembras, la estructura dendrítica puede modificarse como resultado de condiciones fisiológicas inducidas por hormonas durante periodos como el embarazo, la lactancia y el ciclo estral. Esto es particularmente visible en las células piramidales de la región CA1 del hipocampo, donde la densidad de dendritas puede variar hasta un 30%. [ 18 ]

Observaciones experimentales recientes sugieren que la adaptación se lleva a cabo en los árboles dendríticos neuronales, donde se observó que la escala temporal de adaptación era de tan solo unos segundos. [ 37 ] [ 38 ] Se ha demostrado que ciertas arquitecturas de aprendizaje automático basadas en árboles dendríticos simplifican el algoritmo de aprendizaje sin afectar el rendimiento. [ 39 ]

Otras funciones y propiedades

La mayoría de las neuronas excitatorias reciben entradas sinápticas a través de sus ramas dendríticas, lo que resulta en una compartimentación eléctrica y bioquímica, permitiendo un fenómeno conocido como espigas dendríticas , donde los potenciales regenerativos locales contribuyen a la plasticidad. [ 40 ] En las neuronas piramidales, los árboles dendríticos tienen dos funciones principales que les permiten demostrar una compartimentación eléctrica y bioquímica que puede integrar las entradas sinápticas antes de la transmisión al soma, así como formar unidades de computación en el cerebro. La primera función principal permite el procesamiento sináptico diferencial debido a la distribución de las entradas sinápticas a través de las ramas dendríticas. El procesamiento de estas entradas sinápticas a menudo implica mecanismos de retroalimentación o de anticipación que varían según el tipo de neurona o región cerebral. Se propone que las funciones opuestas pero combinadas de los procesos de retroalimentación y anticipación en diferentes momentos asocian diferentes flujos de información que determinan la selectividad neuronal a diferentes estímulos. [ 41 ]

The second function of dendritic trees in this regard is their ability to shape signal propagation that allows for sub-cellular compartmentalization. Large depolarizations can lead to local regenerative potentials, which may allow neurons to transition from stages of isolated dendritic events (segregation) to combined dendritic events (integration). Dendritic compartmentalization has implications in information processing, where it serves as a foundation of trans-neuron signaling, processing stimuli, computation, neuronal expressivity, and mitigating neuronal noise. Likewise, this phenomenon also underlies the storage of information by optimizing learning capacity and storage capacity. In other types of neurons, such as those of the medial superior olive, have differing dendritic properties that allow for coincidence detection. In contrast, in retinal ganglion cells, dendritic integration is used for computing directional selectivity, allowing neurons to respond to direction of movement. Therefore dendritic trees serve various purposes in integrating and processing various different types of stimuli and underlie various neurological processes.[42]

Clinical implications of dysfunction

La disfunción dendrítica y las alteraciones en la morfología dendrítica pueden contribuir a muchas neuropatías y enfermedades. Los cambios en la morfología dendrítica pueden incluir alteraciones en los patrones de ramificación, fragmentación, pérdida de ramificación y alteraciones en la morfología y el número de espinas. Estas anomalías contribuyen a una amplia gama de trastornos del neurodesarrollo y neurodegenerativos , como los trastornos del espectro autista (TEA), la esquizofrenia , el síndrome de Down , el síndrome del cromosoma X frágil , la enfermedad de Alzheimer (EA) y otros. Por ejemplo, se observó que los sujetos con TEA tenían una ramificación dendrítica reducida en las regiones CA1 y CA4 del hipocampo , además de una mayor densidad de espinas. En el síndrome de Rett , los investigadores han observado una menor ramificación dendrítica en las dendritas basales de la corteza motora y el subículo . En pacientes esquizofrénicos, se observó una reducción del árbol dendrítico (la red arbórea de dendritas) y de la densidad de espinas. Además de los trastornos psicológicos y del neurodesarrollo, se ha observado que la disfunción dendrítica también tiene implicaciones en el inicio de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Se ha observado que los pacientes con Alzheimer presentan cambios significativos en el árbol dendrítico, así como una menor longitud de las dendritas en los árboles apicales y basales de las áreas CA1a y CA1b del hipocampo. Por ello, se realizan numerosas investigaciones para explorar los efectos de la disfunción en la ramificación y la morfología dendrítica, y los científicos continúan ampliando sus estudios en este campo para comprender mejor las bases de diversos trastornos neurológicos. [ 43 ]

Referencias

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  • Imagen histológica: 3_09 en el Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Oklahoma – "Diapositiva 3 Médula espinal "
  • Árbol dendrítico: base de datos centrada en las células
  • Imágenes estereoscópicas de árboles dendríticos en órganos electrorreceptores de Kryptopterus