Investigadores descubren la principal diferencia entre las neuronas humanas y animales

Las neuronas se comunican entre sí a través de impulsos eléctricos, que son producidos por canales iónicos que controlan el flujo de iones como el potasio y el sodio. En un nuevo hallazgo sorprendente, los neurocientíficos del MIT han demostrado que las neuronas humanas tienen un número mucho menor de estos canales de lo esperado, en comparación con las neuronas de otros mamíferos. Los investigadores plantean la hipótesis de que esta reducción en la densidad de canales puede haber ayudado al cerebrohumano a evolucionar para operar de manera más eficiente, lo que le permite desviar recursos a otros procesos intensivos en energía que se requieren para realizar tareas cognitivas complejas. “Si el cerebro puede ahorrar energía al reducir la densidad de los canales iónicos, puede gastar esa energía en otros procesos neuronales o de circuitos”, dice Mark Harnett, profesor asociado de ciencias cerebrales y cognitivas, miembro del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT y uno de los principales autores del estudio.

En el estudio publicado el pasado miércoles por la revista “Nature”, el más extenso de su campo, Harnett y sus compañeros analizaron las neuronas de 10 mamíferos diferentes e identificaron un “plan de construcción” válido para todas las especies que observaron, excepto para los seres humanos. Descubrieron que, a medida que aumenta el tamaño de las neuronas, también aumenta la densidad de los canales que se encuentran en ellas. Sin embargo, las neuronas humanas demostraron ser la excepción a esta regla. “Estudios comparativos previos establecieron que el cerebro humano está construido como otros cerebros de mamíferos, por lo que nos sorprendió encontrar pruebas sólidas de que las neuronas humanas son especiales”, explica el estudiante recién graduado del MIT Lou Beaulieu-Laroche, autor principal del estudio.

Las neuronas en el cerebro de los mamíferos pueden recibir señales eléctricas de miles de otras células, y esa entrada determina si dispararán o no un impulso eléctrico llamado “potencial de acción”. En 2018, Harnett y Beaulieu-Laroche descubrieron que las neuronas humanas difieren de las de las ratas en algunas de sus propiedades eléctricas. Principalmente en unas partes de la neurona llamadas dendritas, unas antenas en forma de árbol que reciben y procesan la información de otras células. Uno de los hallazgos del estudio fue que las neuronas humanas tenían una menor densidad de canales iónicos que las neuronas en el cerebro de las ratas. Los investigadores se sorprendieron con este descubrimiento, ya que se suponía que la densidad del canal iónico era constante en todas las especies. En el estudio publicado esta semana, Harnett y Beaulieu-Laroche decidieron comparar neuronas de varias especies de mamíferos para ver si podían encontrar algún patrón que gobernara la expresión de los canales iónicos. Estudiaron dos tipos de canales de potasio y el canal de HCN, que conduce tanto el potasio como el sodio en neuronas piramidales de capa V, un tipo de neuronas excitadoras que se encuentran en la corteza cerebral.

Pudieron obtener tejido cerebral de 10 especies de mamíferos: musarañitas o musgaños enanos (uno de los mamíferos más pequeños conocidos), jerbos, ratones, ratas, cobayas, hurones, conejos, titíes y macacos, así como tejido humano extraído de pacientes con epilepsia durante una cirugía cerebral. Esta variedad permitió a los investigadores cubrir un amplio abanico de grosores corticales y tamaños de neuronas. Los investigadores encontraron que en la gran mayoría las especies de mamíferos que observaron, la densidad de los canales iónicos aumentaba a medida que aumentaba el tamaño de las neuronas. La única excepción encontrada fue en las neuronas humanas, que tenían una densidad de canales iónicos mucho menor de lo esperado. El aumento en la densidad de canales en todas las especies fue sorprendente, dice Harnett, porque cuantos más canales hay, más energía se requiere para bombear iones dentro y fuera de la célula. Sin embargo, comenzó a tener sentido una vez que los investigadores comenzaron a pensar en la cantidad de canales en base al volumen general de la corteza cerebral.

En el diminuto cerebro de la musarañita, que está repleto de pequeñas neuronas, hay más neuronas que en el tejido del cerebro del conejo, que tiene neuronas mucho más grandes. Pero debido a que las neuronas del conejo tienen una mayor densidad de canales iónicos, la densidad de estos canales en el volumen de tejido es la misma en ambas especies, o en cualquiera de las especies, a excepción de los humanos, que analizaron los investigadores. “Este plan de construcción es consistente en nueve especies de mamíferos diferentes”, explica Harnett, a lo que añade: “Lo que parece que la corteza está tratando de hacer es mantener el mismo número de canales iónicos por unidad de volumen en todas las especies. Esto significa que para un volumen determinado de corteza, el costo energético es el mismo, al menos para los canales iónicos”.

Más eficientes

Sin embargo, en el cerebro humano, en lugar de una mayor densidad de canales iónicos, los investigadores encontraron una disminución dramática en la densidad de canales iónicos para el volumen de nuestra corteza. Los investigadores creen que esta densidad más baja puede haber evolucionado como una forma más eficiente de gastar energía en el bombeo de iones, lo que permite que nuestro cerebro use esa energía para otra cosa, como crear conexiones sinápticas más complicadas entre neuronas o disparar potenciales de acción a un ritmo mayor. “Creemos que los humanos han evolucionado a partir de este plan de construcción que anteriormente restringía el tamaño de la corteza, y descubrieron una manera de volverse más eficientes energéticamente, por lo que gastas menos ATP por volumen en comparación con otras especies”, dice Harnett. A raíz de la investigación, los científicos esperan poder encontrar dónde podría ir esa energía adicional y si existen mutaciones genéticas específicas que ayuden a las neuronas de la corteza humana a lograr tal eficiencia. Además de explorar si las especies de primates que están más estrechamente relacionadas con los humanos muestran disminuciones similares en la densidad de los canales iónicos.