Un estudio nanoscópico del hipocampo humano consigue descifrar la organización de sus conexiones neuronales

Un equipo internacional, liderado por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha reconstruido las conexiones neuronales del hipocampo en tres dimensiones. El análisis de cerca de 25.000 conexiones entre células nerviosas permitirá comprender mejor el funcionamiento del hipocampo. Esta región del cerebro es fundamental para entender tanto cómo gestionamos la memoria, el aprendizaje y la orientación espacial como su involucración en el inicio de la enfermedad de Alzheimer y de la epilepsia del lóbulo temporal (la forma más común de epilepsia farmacorresistente).

En el cerebro humano existen millones de neuronas y cada una de ellas, a su vez, forma miles de conexiones o sinapsis con otras neuronas. Esto significa que hay billones de sinapsis en el cerebro que permiten que la información se transmita. Sin embargo, estudiar las conexiones de las neuronas es una labor compleja, debido a que sólo se puede realizar mediante microscopia electrónica y debido a la escasa disponibilidad de tejido cerebral humano adecuado para su estudio.

“El hipocampo humano se compone de varias regiones conectadas entre sí, entre las que se encuentran el subículo, CA1, CA2, CA3 y el giro dentado. El presente trabajo se ha centrado en el estudio de las conexiones neuronales en CA1. Esta es la primera región del hipocampo humano que se estudia a nivel nanoscópico. Se desconoce la organización de las sinapsis en el resto de regiones”, explica Javier DeFelipe, neurobiólogo del Instituto Cajal (CSIC).

La investigación ha logrado realizar la primera descripción detallada de la organización sináptica del hipocampo humano. Un avance que ha permitido observar como las sinapsis están agrupadas de forma más compacta en unas capas del hipocampo que en otras. En cuanto a su tipología, el estudio ha desvelado que la mayoría de las sinapsis son excitadoras, es decir, son conexiones que a través de señales eléctricas generan un potencial de acción, conocido como impulso nervioso, que activa a la siguiente neurona.

Otra característica que los investigadores observaron de las conexiones entre neuronas es que se establecen principalmente con “espinas” dendríticas. Estas estructuras microscópicas, descubiertas por el premio Nobel Santiago Ramón y Cajal, son pequeñas protuberancias o “espinas” que se encuentran en el árbol dendrítico de ciertas neuronas.

La información obtenida a partir del análisis del hipocampo permitirá avanzar en el modelado computacional que trata de simular la actividad del cerebro humano de manera virtual. Todo ello podrá ser aplicado para comprender mejor cómo el cerebro gestiona la memoria, el aprendizaje y la orientación espacial; y cómo se ve afectado por patologías como la epilepsia o la enfermedad de Alzheimer.

Las dificultades para estudiar el cerebro humano

El estudio de las conexiones entre las neuronas presenta una gran complejidad ya que las sinapsis sólo se pueden visualizar utilizando microscopios electrónicos. En este estudio se ha utilizado un nuevo tipo de microscopio electrónico que permite hacer reconstrucciones 3D de las sinapsis del cerebro. Posteriormente, las imágenes nanoscópicas se analizan mediante la aplicación de un software desarrollado por científicos del proyecto Cajal Blue Brain, del que también forma parte los autores de este trabajo. “Utilizando microscopios electrónicos de última generación y el programa informático EspINA se consigue la reconstrucción de las sinapsis en 3D”, añade.

Tradicionalmente se han realizado investigaciones sobre la actividad del cerebro en animales, pero ello plantea el problema de cómo extrapolar los resultados al ser humano de forma fiable. Este obstáculo ha convertido la necesidad de observar el cerebro humano de manera directa en uno de los grandes objetivos de la neurociencia. Ante este reto, un obstáculo es la escasa disponibilidad de tejido cerebral humano adecuado para el estudio de la sinapsis. En ocasiones, el tejido cerebral donado tras la muerte del individuo (tejido postmortem) puede emplearse en estudios a escala nanoscópica. Sin embargo, para que ello ocurra, es necesario que el tiempo transcurrido entre el fallecimiento de la persona y la extracción del cerebro sea inferior a cuatro horas.

En el ámbito de la investigación, las donaciones son fundamentales para entender el funcionamiento de las sinapsis en un cerebro sano y sus posibles alteraciones en un cerebro afectado por enfermedades neurológicas.

“Conocer la organización de las sinapsis en el hipocampo humano normal es fundamental para poder entender qué alteraciones existen en las conexiones de las neuronas en patologías como la epilepsia y la enfermedad de Alzheimer, en las que el hipocampo es una de las regiones cerebrales que se encuentra severamente afectada”, concluye.

Alejandro Parrilla / CSIC Comunicación