Célula de Mauthner

Las células de Mauthner son un par de neuronas grandes y fácilmente identificables (una para cada mitad del cuerpo) ubicadas en el rombómero 4 del rombencéfalo en peces y anfibios , que son responsables de un reflejo de escape muy rápido (en la mayoría de los animales, la llamada respuesta C-start). Las células también se destacan por su uso inusual de sinapsis químicas y eléctricas . ^[1]

Las células de Mauthner aparecen por primera vez en las lampreas (están ausentes en los mixinos y los anfibios ), ^[2] y están presentes en prácticamente todos los peces teleósteos , así como en los anfibios (incluidas las ranas y sapos postmetamórficos ^[3] ). Sin embargo, algunos peces, como los peces grumosos , parecen haber perdido las células de Mauthner. ^[4]

Un arranque en C es un tipo de reflejo de sobresalto o escape muy rápido que emplean los peces y los anfibios (incluidas las larvas de ranas y sapos). Hay dos etapas secuenciales en el arranque en C: primero, la cabeza gira sobre el centro de masa hacia la dirección del futuro escape, y el cuerpo del animal exhibe una curvatura 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 ocurre una contracción muscular antagonista durante la etapa 2, el pez gira en la dirección opuesta, produciendo un giro contrario y un cambio de dirección.

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 . ^[6] Un circuito inhibidor de retroalimentación mutua extremadamente rápido asegura entonces que solo una célula M alcance el umbral de activación (ya que el inicio C tiene que ser unilateral por definición) y que solo se dispare un potencial de acción. ^[1]

El reflejo de inicio C mediado por las células de Mauthner es muy rápido, con una latencia de alrededor de 5 a 10 ms entre el estímulo acústico/táctil y la descarga de las células de Mauthner, y solo alrededor de 2 ms entre la descarga y la contracción muscular unilateral. ^{[1] [6]} Por lo tanto, las células de Mauthner son las neuronas motoras más rápidas en responder al estímulo. Esto hace que la respuesta de inicio C sea importante desde el punto de vista conductual como una forma de iniciar el reflejo de escape en un modo de todo o nada , mientras que la dirección y la velocidad del escape se pueden corregir más tarde a través de la actividad de neuronas motoras más pequeñas.

En las larvas de pez cebra, aproximadamente el 60% de la población total de neuronas reticuloespinales también se activan mediante un estímulo que provoca el escape de la espiga M y el inicio C. Un grupo bien estudiado de estas neuronas reticuloespinales son los homólogos de células M pareados bilateralmente denominados MiD2cm y MiD3cm. Estas neuronas muestran similitudes morfológicas con la célula M, incluida una dendrita lateral y ventral. Están ubicadas 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 inicios C no iniciados por Mauthner de una latencia más larga, en comparación con los asociados a las células M.

Aunque la célula M se considera a menudo el prototipo de una neurona de comando en vertebrados , esta designación puede no estar completamente justificada. Aunque la estimulación eléctrica de la célula M es suficiente para provocar un C-start, este C-start normalmente es más débil que el evocado por un estímulo sensorial. ^[7] Además, el C-start puede evocarse incluso con la célula M extirpada , aunque en este caso la latencia de la respuesta aumenta. ^[8] 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 noción está respaldada por estudios que utilizan imágenes de calcio in vivo en larvas de pez cebra que muestran que MiD2cm y MiD3cm se activan junto con la célula M cuando un estímulo ofensivo se dirige hacia la cabeza pero no hacia la cola, y se correlacionan con inicios C de un ángulo de giro inicial más grande.

Otro componente de la respuesta de escape está mediado por neuronas de relevo craneales que son activadas por la espiga de células de Mauthner. Estas neuronas están acopladas eléctricamente con neuronas motoras que inervan los músculos extraoculares, mandibulares y operculares y median la aducción de la aleta pectoral en el pez hacha . ^{[9] [10]} Este componente del circuito neuronal fue descrito por primera vez por Michael VL Bennett y colegas.

Las células de Mauthner pueden estar implicadas en patrones de comportamiento distintos del inicio en C, si estos tipos de comportamiento también requieren un movimiento de flexión extremadamente rápido del cuerpo. Por lo tanto, 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 peligroso para los peces y se beneficiarían de abandonar la superficie lo antes posible después de capturar la presa. ^[11]

En los anuros postmetamórficos adultos (ranas y sapos) que no tienen cola, las células M se conservan sin embargo ^[3] y sus descargas están asociadas con el movimiento rápido de las patas durante un escape. ^[12] Además, las lampreas larvarias (peces sin mandíbula similares a anguilas de la superclase Cyclostomata) muestran un comportamiento de retirada rápida que se correlaciona con la actividad de las células de Mauthner e implica contracciones musculares bilaterales dependientes de la postura a lo largo de la longitud del cuerpo. ^[13] Las lampreas larvarias (ammocoetes) se alimentan por filtración y ocupan madrigueras en forma de medialuna en los fondos de limo o barro de los lechos de arroyos de agua dulce, con sus bocas ubicadas en la superficie del barro 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 similar a un acordeón en el tronco y la cola y empuja la cabeza hacia abajo en la madriguera.

La célula M tiene dos dendritas primarias aspinosas (que carecen de espinas dendríticas ) que reciben entradas segregadas de varias partes del sistema neuronal. ^[1] Una dendrita se proyecta lateralmente y la otra se proyecta en dirección ventral o medial, según la especie. ^[14]

La dendrita ventral recibe información del techo óptico ^[15] y la médula espinal ^[16] mientras que la dendrita lateral recibe información de los sistemas octovolaterales (la línea lateral , las entradas acústicas del oído interno y la información inercial de los estatolitos traídos por el nervio craneal VIII ). ^[1]

Las fibras del nervio craneal ipsilateral VIII terminan en sinapsis eléctricas y glutamatérgicas mixtas excitatorias en la célula M. También activan eléctricamente las interneuronas inhibidoras glicinérgicas que terminan en las células M. A pesar de que la entrada inhibidora tiene una sinapsis más en su vía, no hay demora entre la excitación y la inhibición porque la sinapsis intermedia es eléctrica. Se ha demostrado que para los estímulos débiles, la inhibición gana sobre la excitación, impidiendo que la célula M se descargue, mientras que para los estímulos más fuertes, la excitación se vuelve dominante. ^[17] Las aferencias del oído interno también terminan con sinapsis eléctricas en una población de interneuronas inhibidoras PHP (ver más abajo) para proporcionar un nivel adicional de inhibición de retroalimentación. La célula de Mauthner también tiene entradas GABA , dopamina , serotonina y somatostatinérgicas , cada una restringida a cierta región dendrítica. ^[1]

Las señales provenientes del techo óptico y de la línea lateral ayudan a controlar la dirección en la que se dobla el sobresalto C al sesgar las células de Mauthner cuando hay obstáculos en las cercanías. En los casos en los que el movimiento para alejarse del estímulo está bloqueado, el pez puede inclinarse hacia la perturbación. ^{[1] [18]}

El montículo axónico de la célula de Mauthner está rodeado por una densa formación de neuropilo, llamada casquete axónico . ^[2] La alta resistencia de este casquete axónico contribuye a la forma típica del potencial de campo de la célula de Mauthner (véase más adelante). En su forma más avanzada, el casquete axónico consta de un núcleo, inmediatamente adyacente al axón de la célula de Mauthner, y que contiene una red de fibras amielínicas muy delgadas , y una parte periférica. Esta parte periférica contiene las grandes fibras amielínicas de las neuronas PHP (véase más adelante) que median la retroalimentación inhibidora a la célula de Mauthner; la propia célula de Mauthner también envía pequeñas dendritas desde su montículo axónico a la parte periférica del casquete axónico. Finalmente, la superficie del casquete axónico está cubierta por una pared del casquete compuesta por varias capas de células gliales similares a astrocitos . Tanto las células gliales como las fibras amielínicas están acopladas entre sí por medio de uniones en hendidura . ^[19]

Evolutivamente, la tapa axónica es un desarrollo más reciente que la propia célula de Mauthner, por lo que algunos animales, como las lampreas y las anguilas , si bien tienen células de Mauthner funcionales, no tienen tapa axónica en absoluto, mientras que otros animales, como los anfibios y los peces pulmonados , tienen una versión muy simplificada de la misma. ^[2]

La parte principal de la red asociada a las células de Mauthner es la red de retroalimentación negativa , que asegura que sólo una de las dos células de Mauthner se dispare en respuesta al estímulo y que, cualquiera que sea la célula de Mauthner que se dispare, lo haga sólo una vez. Ambos requisitos son bastante naturales considerando que las consecuencias de una única descarga de células de Mauthner son tan fuertes; un incumplimiento de estas dos reglas no sólo impediría al animal escapar, 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 el casquete axónico, y reciben entradas tanto de las células de Mauthner ipsilaterales como de las 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 abajo), 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). ^[19] La acción de las neuronas PHP sobre las células de Mauthner está mediada por efectos eléctricos y no químicos: las corrientes de salida generadas por los potenciales de acción en las fibras de la cubierta axonal fluyen hacia adentro a través del montículo axónico de la célula de Mauthner y lo hiperpolarizan. ^[1]

El único axón de la célula de Mauthner llega desde la célula hasta la línea media del rombencéfalo , lo cruza rápidamente hacia el lado contralateral y luego desciende caudalmente a lo largo de la médula espinal . ^[19] Una única descarga de la célula M logra todo un conjunto de efectos paralelos sobre las redes motoras espinales: 1) excita monosinápticamente las grandes motoneuronas primarias en un lado del cuerpo; 2) excita disinápticamente las motoneuronas más pequeñas en el mismo lado del cuerpo; 3) inicia potenciales de acción en interneuronas inhibidoras acopladas eléctricamente al axón de la célula M y, por medio de ellos, inhibe a) las interneuronas inhibidoras todavía en el mismo lado del cuerpo (para evitar que interfieran con el inicio C), así como b) las motoneuronas en el 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. ^[20]

La inhibición de la célula M por las células PHP se produce por interacciones efápticas . La inhibición se produce sin una sinapsis química o un acoplamiento sináptico eléctrico que tenga uniones en hendidura de baja resistencia que unan las células. Cuando la región del axón de la célula PHP fuera de la tapa axónica se despolariza, la entrada de carga positiva en la célula a través de canales de sodio dependientes del voltaje se acompaña de una salida pasiva de corriente desde el axón de la célula PHP hacia la región limitada por la tapa 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 cuasi eléctricas ( efápticas ), la célula de Mauthner tiene un fuerte potencial de campo de una forma muy característica. ^{[6] [19]} Este potencial de campo comienza con un sumidero de potencial de alta amplitud de hasta decenas de milivoltios de amplitud que se origina a partir de 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. ^[6] Los componentes positivos del potencial de campo son más fuertes en la tapa del axón, alcanzando amplitudes de 45 mV en peces de colores adultos. ^[19] Con el conocimiento de estas propiedades del potencial de campo, es posible utilizar la monitorización del potencial de campo como una forma de encontrar el cuerpo de la célula 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. ^[19]

Se ha demostrado que la aplicación de serotonina aumenta las entradas inhibitorias a la célula M, mientras que la aplicación de dopamina aumenta la amplitud de los componentes químicos y eléctricos de las respuestas del nervio VIII a través de una activación mediada por la proteína G del receptor D2 postsináptico . ^[1] Se puede evocar una LTP dependiente de la actividad en las células M mediante una estimulación de alta frecuencia del nervio VIII. Sorprendentemente, esta LTP está mediada por sinapsis eléctricas y se presume que implica la modificación de los canales de unión en hendidura . ^[1] También se demostró la posibilidad de inducción de LTP por estímulos sensoriales in vivo [ ^1] y la evidencia de la LTP de las entradas inhibitorias a las células M ^{[17] .}

La preferencia espontánea en la dirección del giro en peces de colores jóvenes se correlaciona con una de las células de Mauthner más grande que la otra. Es posible cambiar la preferencia de los peces criándolos en condiciones que faciliten los giros en una dirección específica; este cambio se acompaña de un cambio correspondiente en los tamaños de las células M. ^[21]

La célula de Mauthner fue identificada por primera vez por el oftalmólogo vienés Ludwig Mauthner en el pez teleósteos por su circuito neuronal asociado que media una respuesta de escape llamada C-start o C- startle para alejar al pez de un depredador.

La célula M es un sistema modelo en el campo de la neuroetología . El sistema de células M ha servido para investigaciones neurofisiológicas e histológicas detalladas de la transmisión sináptica y la plasticidad sináptica . ^[1] Los estudios de Donald Faber y Henri Korn ayudaron a establecer la hipótesis de una vesícula de transmisión sináptica en el SNC . Otros temas de investigación importantes que se han investigado en el sistema de células M incluyen estudios de Yoichi Oda y colegas sobre la potenciación inhibitoria a largo plazo y el condicionamiento auditivo de la respuesta de sobresalto, y estudios de Alberto Pereda y colegas sobre la plasticidad de las sinapsis eléctricas . Otros temas de investigación investigados en el sistema de células M incluyen estudios de redes neuronales espinales y regeneración neuronal por Joe Fetcho y colegas, así como localización de sonido bajo el agua y la biofísica de la computación en neuronas individuales.