celda de Mauthner

Un arranque en C es un tipo de reflejo de sobresalto o escape muy rápido que emplean los peces y anfibios (incluidas las larvas de ranas y sapos). Hay dos etapas secuenciales en el arranque en C: primero, la cabeza rota alrededor del centro de masa hacia la dirección de escape futura, y el cuerpo del animal exhibe una curva que se asemeja a una letra C; luego, en la segunda etapa, el animal es impulsado hacia adelante. ^{[ 5 ]} La duración de estas etapas varía de una especie a otra, desde aproximadamente 10 a 20 ms para la primera etapa, y de 20 a 30 ms para la segunda. ^{[ 1 ] [ 4 ]} En los peces, esta propulsión hacia adelante no requiere la contracción del músculo antagonista , sino que resulta de la rigidez del cuerpo y la resistencia hidrodinámica de la cola . Cuando se produce una contracción muscular antagonista durante la etapa 2, el pez rota en la dirección opuesta, produciendo un contragiro y un cambio de dirección.

Algunas serpientes acuáticas ( serpientes tentaculares ) explotan el reflejo moviendo parte de su cuerpo hacia el pez presa para desencadenar el arranque en C, mientras que la cabeza se curva alrededor del otro lado del pez para que el arranque en C lo envíe hacia la boca de la serpiente. ^{[ 6 ]}

Los arranques en C también se utilizan en el comportamiento de caza de algunos peces depredadores. Los peces arquero realizan un arranque en C tan pronto como disparan a su presa insecto, para atraparla inmediatamente cuando cae al agua. Para evitar que la presa sea robada por competidores más numerosos, como los peces aguja , los peces arquero poseen algunos de los arranques en C más rápidos conocidos entre los peces óseos, con la excepción del lucio . La cinemática de los arranques en C predictivos en estos peces es idéntica al reflejo de escape de los mismos individuos, lo que sugiere que una decisión voluntaria podría estar activando este circuito reflejo. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

En los casos en que un estímulo acústico , táctil o visual abrupto provoca un único potencial de acción en una célula M, siempre se correlaciona con un escape de inicio C contralateral . ^{[ 9 ]} Un circuito inhibitorio de retroalimentación mutua extremadamente rápido asegura entonces que solo una célula M alcance el umbral de disparo —ya que el inicio C debe ser unilateral por definición— y que solo se dispare un potencial de acción. ^{[ 1 ]}

El reflejo de inicio en C mediado por las células de Mauthner es muy rápido, con una latencia de aproximadamente 5-10 ms entre el estímulo acústico/táctil y la descarga de la célula de Mauthner, y solo unos 2 ms entre la descarga y la contracción muscular unilateral. ^{[ 1 ] [ 9 ]} Por lo tanto, las células de Mauthner son las motoneuronas más rápidas en responder al estímulo. Esto hace que la respuesta de inicio en C sea conductualmente importante como una forma de iniciar el reflejo de escape de manera radical , mientras que la dirección y la velocidad del escape pueden corregirse posteriormente mediante la actividad de motoneuronas más pequeñas.

En las larvas de pez cebra, aproximadamente el 60% de la población total de neuronas reticuloespinales también se activa mediante un estímulo que provoca el pico M y el escape C-start. Un grupo bien estudiado de estas neuronas reticuloespinales son los homólogos de la célula M emparejados bilateralmente , denominados MiD2cm y MiD3cm . Estas neuronas presentan similitudes morfológicas con la célula M, incluyendo una dendrita lateral y ventral. Se localizan en los rombómeros 5 y 6 del rombencéfalo , respectivamente, y también reciben información auditiva en paralelo con la célula M del nervio pVIII . En los peces, los estímulos de chorro de agua que activan estas neuronas provocan C-starts no iniciados por Mauthner con una latencia mayor, en comparación con los asociados a la célula M.

Aunque la célula M se considera a menudo el prototipo de neurona de comando en vertebrados , esta designación puede no estar del todo justificada. Si bien la estimulación eléctrica de la célula M es suficiente para provocar un inicio C, este inicio C suele ser más débil que el provocado por un estímulo sensorial. ^{[ 10 ]} Además, el inicio C puede ser provocado incluso con la célula M ablacionada , aunque en este caso la latencia de la respuesta aumenta. ^{[ 11 ]} El modelo más ampliamente aceptado del sistema de células M, o red de escape del tronco encefálico, es que la célula M inicia un patrón de acción fijo hacia la izquierda o la derecha activando un circuito motor espinal descrito inicialmente por J. Diamond y colegas, pero la trayectoria precisa del escape está codificada por la actividad de la población en las otras clases de neuronas reticuloespinales que funcionan en paralelo a la célula M. Esta idea está respaldada por estudios que utilizan imágenes de calcio in vivo en larvas de pez cebra, los cuales muestran que MiD2cm y MiD3cm se activan junto con la célula M cuando un estímulo nocivo se dirige hacia la cabeza pero no hacia la cola, y se correlacionan con arranques en C de un ángulo de giro inicial mayor.

Otro componente de la respuesta de escape está mediado por neuronas de relevo craneales que se activan mediante el potencial de acción de la célula de Mauthner. Estas neuronas están acopladas eléctricamente con motoneuronas que inervan los músculos extraoculares, mandibulares y operculares, y median la aducción de la aleta pectoral en el pez hacha . ^{[ 12 ] [ 13 ]} Este componente del circuito neural fue descrito por primera vez por Michael VL Bennett y sus colegas.

Las células de Mauthner podrían estar implicadas en otros patrones de comportamiento además del arranque en C, si estos tipos de comportamiento también requieren un movimiento de flexión corporal extremadamente rápido. Así, en los peces dorados, las células de Mauthner se activan durante la captura de presas cerca de la superficie del agua, ya que este tipo de caza es peligrosa para el pez y le conviene abandonar la superficie lo antes posible tras capturar a la presa. ^{[ 14 ]}

En anuros adultos postmetamórficos (ranas y sapos) que no tienen cola, las células M se conservan ^{[ 3 ]} y sus descargas se asocian con el movimiento rápido de las patas durante un escape. ^{[ 15 ]} Además, las larvas de lamprea (peces sin mandíbula con forma de anguila de la superclase Cyclostomata) exhiben un comportamiento de retracción rápida que se correlaciona con la actividad de las células de Mauthner e implica contracciones musculares bilaterales, dependientes de la postura, a lo largo del cuerpo. ^{[ 16 ]} Las larvas de lamprea (ammocetes) son filtradoras que ocupan madrigueras en forma de media luna en los fondos de limo o lodo de los lechos de arroyos de agua dulce, con sus bocas posicionadas en la superficie del lodo o justo por encima de ella. La vibración repentina activa ambas neuronas de Mauthner en el tronco encefálico de la lamprea, lo que provoca una contracción muscular en forma de acordeón en el tronco y la cola y tira de la cabeza hacia abajo dentro de la madriguera.

La célula M tiene dos dendritas primarias sin espinas (carentes de espinas dendríticas ) que reciben entradas segregadas de varias partes del sistema nervioso. ^{[ 1 ]} Una dendrita se proyecta lateralmente y la otra se proyecta en dirección ventral o medial, dependiendo de la especie. ^{[ 17 ]}

La dendrita ventral recibe información del tectum óptico ^{[ 18 ]} y de la médula espinal ^{[ 19 ],} mientras que la dendrita lateral recibe entradas de los sistemas octovolaterales (la línea lateral , entradas acústicas del oído interno e información inercial de los estatolitos traída por el nervio craneal VIII ). ^{[ 1 ]}

Las fibras del nervio craneal VIII ipsilateral terminan en sinapsis excitatorias mixtas eléctricas y glutamatérgicas en la célula M. También activan eléctricamente interneuronas inhibitorias glicinérgicas que terminan en las células M. A pesar de que la entrada inhibitoria tiene una sinapsis más en su vía, no hay retraso entre la excitación y la inhibición porque la sinapsis intermedia es eléctrica. Se ha demostrado que para estímulos débiles la inhibición prevalece sobre la excitación, impidiendo la descarga de la célula M, mientras que para estímulos más fuertes la excitación se vuelve dominante. ^{[ 20 ]} Las aferencias del oído interno también terminan con sinapsis eléctricas en una población de interneuronas inhibitorias PHP (véase más adelante) para proporcionar un nivel adicional de inhibición anterógrada. La célula de Mauthner también tiene entradas GABAérgicas , dopaminérgicas , serotoninérgicas y somatostatinérgicas , cada una restringida a una región dendrítica específica. ^{[ 1 ]}

Las señales del tectum óptico y la línea lateral ayudan a controlar la dirección en la que se dobla el pez en sobresalto C, influyendo en las células de Mauthner cuando hay obstáculos en las proximidades. En los casos en que se bloquea el movimiento de alejamiento del estímulo, el pez puede doblarse hacia la perturbación. ^{[ 1 ] [ 21 ]}

El cono axónico de la célula de Mauthner está rodeado por una densa formación de neuropilo, denominada cápsula axónica . ^{[ 2 ]} La alta resistencia de esta cápsula axónica contribuye a la forma típica del potencial de campo de la célula de Mauthner (véase más adelante). En su forma más avanzada, la cápsula axónica consta de un núcleo, inmediatamente adyacente al axón de la célula de Mauthner, que contiene una red de fibras amielínicas muy finas , y una parte periférica. Esta parte periférica contiene las grandes fibras amielínicas de las neuronas PHP (véase más adelante) que median la retroalimentación inhibitoria a la célula de Mauthner; la propia célula de Mauthner también envía pequeñas dendritas desde su cono axónico a la parte periférica de la cápsula axónica. Finalmente, la superficie de la cápsula axónica está cubierta por una pared compuesta por varias capas de células gliales similares a astrocitos . Tanto las células gliales como las fibras amielínicas están acopladas entre sí mediante uniones comunicantes . ^{[ 22 ]}

Desde el punto de vista evolutivo, la cápsula axonal es un desarrollo más reciente que la propia célula de Mauthner, por lo que algunos animales, como las lampreas y las anguilas , si bien poseen células de Mauthner funcionales, carecen por completo de cápsula axonal, mientras que otros animales, como los anfibios y los peces pulmonados , sí poseen una versión muy simplificada de la misma. ^{[ 2 ]}

La parte principal de la red asociada a la célula de Mauthner es la red de retroalimentación negativa , que asegura que solo una de las dos células de Mauthner se active en respuesta al estímulo y que, sea cual sea la célula de Mauthner que se active, lo haga solo una vez. Ambos requisitos son bastante naturales considerando que las consecuencias de una sola descarga de la célula de Mauthner son tan fuertes; un incumplimiento de estas dos reglas no solo impediría que el animal escapara, sino que incluso podría dañarlo físicamente. La parte más rápida de esta red de retroalimentación negativa, que también es la más cercana a la célula de Mauthner, es la de las llamadas neuronas de potencial de campo hiperpolarizante pasivo o PHP . ^{[ 1 ]} Las fibras de estas neuronas se encuentran en la vaina del axón y reciben entradas tanto de las células de Mauthner ipsilaterales como contralaterales . Los potenciales de campo de las neuronas PHP son fuertemente positivos y forman parte del "potencial de campo característico" de la célula de Mauthner (véase más adelante), donde el componente temprano (iniciado ipsilateralmente) se denomina Potencial Hiperpolarizante Extracelular (EHP), y el componente tardío (iniciado contralateralmente) se denomina a veces en la literatura Inhibición Colateral Tardía (LCI). ^{[ 22 ]} La acción de las neuronas PHP sobre las células de Mauthner está mediada por efectos eléctricos, y no químicos: las corrientes salientes generadas por los potenciales de acción en las fibras de la cápsula axónica fluyen hacia el interior a través del cono axónico de la célula de Mauthner y lo hiperpolarizan. ^{[ 1 ]}

El único axón de la célula de Mauthner se extiende desde la célula hasta la línea media del rombencéfalo , la cruza rápidamente hacia el lado contralateral y luego desciende caudalmente a lo largo de la médula espinal . ^{[ 22 ]} Una sola descarga de la célula M produce un conjunto completo de efectos paralelos en las redes motoras espinales: 1) excita monosinápticamente grandes motoneuronas primarias en un lado del cuerpo; 2) excita disinápticamente motoneuronas más pequeñas en el mismo lado del cuerpo; 3) inicia potenciales de acción en interneuronas inhibitorias acopladas eléctricamente al axón de la célula M, e inhibe a) las interneuronas inhibitorias que aún se encuentran en el mismo lado del cuerpo (para evitar que interfieran con el inicio C), así como b) las motoneuronas del otro lado del cuerpo. Como resultado de este patrón de activación, los músculos rápidos de un lado del cuerpo se contraen simultáneamente, mientras que los músculos del otro lado del cuerpo se relajan. ^{[ 23 ]}

La inhibición de la célula M por las células PHP se produce mediante interacciones efápticas . Esta inhibición se produce sin sinapsis químicas ni acoplamiento sináptico eléctrico, gracias a las uniones comunicantes de baja resistencia que conectan las células. Cuando la región del axón de la célula PHP fuera de la vaina axónica se despolariza, la entrada de carga positiva a la célula a través de canales de sodio dependientes de voltaje se acompaña de una salida pasiva de corriente desde el axón de la célula PHP hacia la región delimitada por la vaina axónica. Debido a la alta resistencia de las células gliales circundantes, la carga no se disipa y el potencial a través de la membrana de la célula M aumenta, hiperpolarizándola.

Debido a su tamaño, la presencia de una red de retroalimentación rápida y la abundancia de sinapsis eléctricas y cuasieléctricas ( efápticas ), la célula de Mauthner tiene un fuerte potencial de campo de forma muy característica. ^{[ 9 ] [ 22 ]} Este potencial de campo comienza con un sumidero de potencial de alta amplitud de hasta decenas de milivoltios de amplitud que se origina en la descarga de la célula de Mauthner, y que es seguido de cerca por un potencial positivo, llamado Potencial Hiperpolarizante Extrínseco o EHP, que está asociado con la actividad de la red de retroalimentación recurrente. ^{[ 1 ]}

Debido a su alta amplitud, en algunos animales la parte negativa del potencial de campo de la célula de Mauthner puede detectarse hasta a varios cientos de micrómetros de distancia de la célula misma. ^{[ 9 ]} Los componentes positivos del potencial de campo son más fuertes en la vaina del axón, alcanzando amplitudes de 45 mV en el pez dorado adulto. ^{[ 22 ]} Conociendo estas propiedades del potencial de campo, es posible utilizar la monitorización del potencial de campo como una forma de encontrar el cuerpo celular de Mauthner in vivo , o in vitro en una preparación de cerebro completo, moviendo el electrodo de registro en el rombencéfalo , mientras que al mismo tiempo se estimula la médula espinal , evocando así potenciales de acción antidrómicos en el axón de la célula de Mauthner. ^{[ 22 ]}