El control realimentado de la inhibición presináptica

Dibujo20140501 Heel Daoyin - Human Motions - Peter Jansen

Nuestros movimientos voluntarios serían como los de esta escultura cinética de Peter Jansen si no existiera la inhibición presináptica en la médula espinal. Actúa como un filtro que reduce la realimentación sensorial de los músculos, responsable de los movimientos reflejos (involuntarios), permitiendo movimientos suaves sin oscilaciones no deseadas.

La clave son las interneuronas que liberan el neurotransmisor inhibidor GABA sobre el axón de las neuronas sensoriales que conectan la médula espinal con las neuronas motoras de los músculos. En ratones, la eliminación de estas interneuronas provoca grandes oscilaciones en sus extremidades durante sus movimientos voluntarios (dirigidos hacia un objetivo). Sin embargo, en reposo o cuando el ratón realiza movimientos automáticos (caminar sin un objetivo bien definido) no se producen estas oscilaciones. Así lo indica el trabajo de Thomas Jessell (Univ. de Columbia, Nueva York) y varios colegas que ha llegado a la portada de Nature.

Nos lo cuenta Stephen H. Scott, Frédéric Crevecoeur, “Neuroscience: Feedback throttled down for smooth moves,” Nature 509: 38-39, 01 May 2014; el artículo técnico es Andrew J. P. Fink et al., “Presynaptic inhibition of spinal sensory feedback ensures smooth movement,” Nature 509: 43–48, 01 May 2014.

Dibujo20140501 Controlling reaching movements in mice - nature

Las señales sensoriales responsables de los movimientos reflejos de nuestros miembros deben ser anuladas cuando nos movemos de forma voluntaria. Jessell y sus colegas han estudiado la realimentación entre las neuronas aferentes (o sensoriales) que transportan los impulsos nerviosos desde los músculos hasta la médula espinal y las neuronas eferentes (o motoras) que llevan las señales motoras desde la médula espinal a los músculos. Este sistema es el responsable de los reflejos (osteotendinosos) que el médico examina golpeando de forma brusca un tendón muscular de la rodilla con un martillo de reflejo, lo que provoca la contracción del músculo y el movimiento inconsciente de la pierna.

Dibujo20140501 Genetic targeting of GABApre neurons - nature

El control realimentado de la inhibición presináptica se basa en unas neuronas intermediarias, llamadas interneuronas GABAérgicas, que forman conexiones con el axón de las neuronas motoras antes de la parte final del axón donde se produce la sinapsis. La regulación de la inhibición presináptica está medida por la enzima glutamato descarboxilasa (GAD), que cataliza la descarboxilación del glutamato produciendo GABA (ácido gamma-aminobutírico), el principal neurotransmisor inhibidor. Las interneuronas liberan GABA en el axón de una neurona sensorial (o aferente) que inhibe su sinapsis en una neurona motora.

Dibujo20140501 GABApre neurons regulate sensory gain - nature

La inhibición presináptica de las señales sensoriales (vía las neuronas aferentes) está correlacionada con las acciones motoras voluntarias. Jessell y sus colegas la han estudiado en ratones utilizando la técnica de fotoactivación de neuronas. Han marcado un subgrupo de interneuronas GABAérgicas de la médula espinal para que expresen una proteína fluorescente (GAD-YPF) que permite tanto observar su actividad como activarla mediante luz. Gracias a ello han desarrollado un modelo matemático del sistema de control realimentado responsable de controlar el ángulo de las articulaciones. 

Dibujo20140501 Selective GABApre ablation - nature

Para verificar sus conclusiones han aplicado una técnica de ablación para algunas interneuronas en ratones y han observado como sus movimientos voluntarios dejan de ser suaves, oscilando de forma dramática. Estas oscilaciones sólo ocurren cuando el animal se mueve hacia un objetivo determinado. Cuando se encuentra en reposo o caminando sin más, no se observan oscilaciones apreciables. Esto sugiera que el movimiento voluntario es el responsable de la regulación de la inhibición presináptica. Los detalles de este último proceso en el encéfalo (seguramente en el cerebelo) no se han estudiado en este nuevo trabajo.

Para mí, lo más curioso del nuevo trabajo es ver cómo las técnicas matemáticas usadas en ingeniería (en concreto, automática y control) están siendo incorporadas al trabajo de los neurocientíficos. Gracias a las técnicas genéticas y moleculares para el estudio de la actividad neuronal, que permiten modificarla de forma controlada o eliminar su acción. Quizás en un futuro estos descubrimientos acaben teniendo aplicaciones en ingeniería (robótica), cerrando el círculo.



7 Comentarios

  1. Obsérvese el circuito neuronal de la segunda imagen (Sensory afferent neuron – GABAeric neuron – Motor neuron) y compáreselo con esto http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor

    Cada vez es más obvio que la neurología es un cierto tipo de electrónica… puesto que los animales somos robots de un cierto tipo. La naturaleza ya cerró el círculo hace rato… a su modo. Ahora es nuestro turno, a ver qué sale.

    Hoy me despido a lo Tron: saludos, programas.

  2. A mi me parece bastante raro el título del post, creo que no coincide con el mensaje o el contenido del post y del trabajo científico original. Quizás algo así como: “control de la retroalimentación sensorial por inhibición presináptica”; sería más cercano a los datos y al trabajo original.
    Como es normal, hay pequeños errores en el post, suele sucederle a Francis cuando habla de neurociencia. Esta frase tiene poco sentido:”La clave son las interneuronas que liberan el neurotransmisor inhibidor GABA sobre el axón de las neuronas sensoriales que conectan la médula espinal con las neuronas motoras de los músculos.”. Sería “… sobre el axón de las neuronas sensoriales que conectan en la médula espinal con las neuronas motoras que controlan los músculos”. Si se leen despacio las dos frases se nota la diferencia.
    Esta otra frase no es correcta:” La regulación de la inhibición presináptica está medida por la enzima glutamato descarboxilasa (GAD), que cataliza la descarboxilación del glutamato produciendo GABA (ácido gamma-aminobutírico), el principal neurotransmisor inhibidor.” La producción de GABA dentro de la neurona si depende de la enzima GAD, pero la regulación de la inhibición, es decir del mecanismo fisiológico de inhibir a otra neurona, depende de la activación y/o regulación de la interneurona inhibidora no de la enzima que produce el neurotransmisor. En la frase que aparece en el post se confunden los conceptos de: qué enzima produce el GABA (que en el artículo se utiliza para identificar la población de interneruonas concreta) con el de la regulación de la función de inhibición, que depende de mecanismos supraespinales no de la enzima.
    Finalmente hay un par de cuestiones que se podrían afinar con una mejor explicación. Y es que la inhibición presináptica que se describe se regula por determinados mecanismos supraespinales cuando se trata de realizar un movimiento de precisión de la extremidad con el fin de alcanzar algo. Sin embargo, no aparece cuando el movimiento es voluntario pero sigue un patrón cíclico, como andar. Aunque otros autores demuestran que los reflejos se ven alterados en diferentes fases del ciclo de andar.
    Si nos fijamos en esta frase: “Estas oscilaciones sólo ocurren cuando el animal se mueve hacia un objetivo determinado. Cuando se encuentra en reposo o caminando sin más, no se observan oscilaciones apreciables. Esto sugiera que el movimiento voluntario es el responsable de la regulación de la inhibición presináptica.” Se detecta el error de que caminar se incluye entre los movimientos no voluntarios, y sinceramente, no hay forma de iniciar la marcha en situación normal si no es voluntariamente. Una cuestión es que el movimiento sea semi-automático otra que sea involuntario. Hay que hilar fino, no se anda de forma involuntaria. Sería más acertado explicar que los movimientos que dependen de un patrón como andar o correr están sujetos a un tipo de regulación diferente de los movimientos que son aislados y de precisión determinada, como se describe en el artículo la acción de alcanzar un objeto determinado.
    En fin, sin dudas el artículo original de Nature me ha resultado interesante aunque no espectacular, quizás está ahí por el clásico de utilizar técnicas de moda. Pero lo que si me deja dudas es la explicación que se da en el post sobre el mecanismo de inhibición presináptica espinal y los procesos en lo que está implicada.
    Saludos.

    1. Estoy de acuerdo en lo del título: se trata del control de la retroalimentación sensorial espinal, por medio de inhibición presináptica.
      Tampoco me gusta la palabra realimentación para traducir feedback. Lo correcto es retroalimentación que indica que el mecanismo empieza “desde atrás”.
      En cuanto a la frase:
      ” La regulación de la inhibición presináptica está medida por la enzima glutamato descarboxilasa (GAD), que cataliza la descarboxilación del glutamato produciendo GABA (ácido gamma-aminobutírico), el principal neurotransmisor inhibidor.”
      Basta quitar “La regulación de” y dejar el resto. Y hay una errata: está mediada, no medida.

      1. Daniel, como dije en la intervención anterior, la cuestión de la enzima GAD es un error de interpretación que hace Francis sobre el artículo original. Si miras bien, el artículo utiliza los marcadores GAD (1 y 2) para identificar las interneruonas y sitio de sinapsis sobre las aferencias sensoriales, así como vGLUT para identificar las aferencias sensoriales propioceptivas. Es una forma de identificar la localización de cada una de ellas y por tanto el contacto entre las mismas (presináptico o postsinápico), como se muestra en las microfotografías del trabajo. Sin embargo, la regulación de la inhibición viene dada por la actividad de la interneurona inhibidora no por la enzima que produce el neurotransmisor que en este experimento no es alterada.
        Hay que tener en cuenta también que la inhibición a nivel espinal tiene un gran componente glicinérgico, que es una inhibición donde el neurotransmisor es glicina. Se ha descrito tanto la inhibición separa de GABA y glicina sobre neuronas excitadoras, como coliberación de los dos neurontransmisores inhibidores sobre la misma sinapsis (co-inhibición que resulta en un efecto muy rápido y potente).
        Por eso es necesario la identificación del tipo de neurotransmisor y de interneurona implicado en la inhibición presináptica. Para ello se utiliza la enzima GAD, pero no es la que regula la inhibición, no es la que media la inhibición.
        saludos.

  3. Me pregunto si esta investigación tendrá alguna aplicación en el estudio de las enfermedades neuromusculares, en especial aquellas donde se ven afectadas las neuronas motoras, como la esclerosis lateral amiotrófica, en la cual estas neuronas van muriendo poco a poco en el cerebro y la médula espinal, resultando en la pérdida gradual de la capacidad de movimiento voluntario. Precisamente uno de los principales síntomas de esta enfermedad es la hiperreflexia o reflejos alterados.

  4. La programación en AWL de un S7-1200 es mucho más potente, como rutinas y guardias o modos de calculo, aparentemente ^^
    Interesantisimo

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 2 mayo, 2014
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