Sinapsis química

Las sinapsis químicas son uniones biológicas a través de las cuales las señales de las neuronas pueden enviarse entre sí y a células no neuronales, como las de los músculos o las glándulas . Las sinapsis químicas permiten que las neuronas formen circuitos dentro del sistema nervioso central . Son cruciales para los cálculos biológicos que subyacen a la percepción y el pensamiento . Permiten que el sistema nervioso se conecte con otros sistemas del cuerpo y los controle.

En una sinapsis química, una neurona libera moléculas de neurotransmisores en un pequeño espacio (la hendidura sináptica) adyacente a otra neurona. Los neurotransmisores están contenidos en pequeños sacos llamados vesículas sinápticas y se liberan en la hendidura sináptica por exocitosis . Estas moléculas luego se unen a los receptores de neurotransmisores en la célula postsináptica. Finalmente, los neurotransmisores se eliminan de la sinapsis a través de uno de varios mecanismos posibles , incluida la degradación enzimática o la recaptación por transportadores específicos, ya sea en la célula presináptica o en alguna otra neuroglia para terminar la acción del neurotransmisor.

Se estima que el cerebro humano adulto contiene entre 10 ¹⁴ y 5 × 10 ¹⁴ (100–500 billones) de sinapsis. ^[1] Cada milímetro cúbico de corteza cerebral contiene aproximadamente mil millones ( escala corta , es decir, 10 ⁹ ) de ellas. ^[2] El número de sinapsis en la corteza cerebral humana se ha estimado por separado en 0,15 cuatrillones (150 billones) ^[3]

La palabra "sinapsis" fue introducida por Sir Charles Scott Sherrington en 1897. ^[4] Las sinapsis químicas no son el único tipo de sinapsis biológicas : también existen sinapsis eléctricas e inmunológicas . Sin embargo, sin un calificativo, "sinapsis" se refiere comúnmente a las sinapsis químicas.

Las sinapsis son conexiones funcionales entre neuronas, o entre neuronas y otros tipos de células. ^{[5] [6]} Una neurona típica da lugar a varios miles de sinapsis, aunque hay algunos tipos que producen muchas menos. ^[7] La ​​mayoría de las sinapsis conectan axones con dendritas , ^{[8] [9]} pero también hay otros tipos de conexiones, incluidas las de axón a cuerpo celular, ^{[10] [11]} axón a axón, ^{[10] [11]} y dendrita a dendrita . ^[9] Las sinapsis son generalmente demasiado pequeñas para ser reconocibles usando un microscopio óptico excepto como puntos donde las membranas de dos células parecen tocarse, pero sus elementos celulares se pueden visualizar claramente usando un microscopio electrónico .

Las sinapsis químicas transmiten información de manera direccional desde una célula presináptica a una célula postsináptica y, por lo tanto, son asimétricas en estructura y función. La terminal axónica presináptica o sinápticaEl botón es un área especializada dentro del axón de la célula presináptica que contiene neurotransmisores encerrados en pequeñas esferas unidas a una membrana llamadas vesículas sinápticas (así como una serie de otras estructuras y orgánulos de soporte, como las mitocondrias y el retículo endoplasmático ). Las vesículas sinápticas están acopladas a la membrana plasmática presináptica en regiones llamadas zonas activas .

Justo enfrente hay una región de la célula postsináptica que contiene receptores de neurotransmisores ; para las sinapsis entre dos neuronas, la región postsináptica puede encontrarse en las dendritas o el cuerpo celular. Inmediatamente detrás de la membrana postsináptica hay un complejo elaborado de proteínas interconectadas llamadas densidad postsináptica (PSD).

Las proteínas de la PSD participan en el anclaje y el tráfico de receptores de neurotransmisores y en la modulación de la actividad de estos receptores. Los receptores y las PSD se encuentran a menudo en protuberancias especializadas del eje dendrítico principal llamadas espinas dendríticas .

Las sinapsis pueden describirse como simétricas o asimétricas. Cuando se examinan con un microscopio electrónico, las sinapsis asimétricas se caracterizan por vesículas redondeadas en la célula presináptica y una densidad postsináptica prominente. Las sinapsis asimétricas son típicamente excitatorias. Las sinapsis simétricas, en cambio, tienen vesículas aplanadas o alargadas y no contienen una densidad postsináptica prominente. Las sinapsis simétricas son típicamente inhibidoras.

La hendidura sináptica , también llamada brecha sináptica , es un espacio entre las células presinápticas y postsinápticas que tiene aproximadamente 20 nm (0,02 μ) de ancho. ^[12] El pequeño volumen de la hendidura permite que la concentración de neurotransmisores aumente y disminuya rápidamente. ^[13]

Una autapsis es una sinapsis química (o eléctrica) que se forma cuando el axón de una neurona hace sinapsis con sus propias dendritas.

A continuación se presenta un resumen de la secuencia de eventos que tienen lugar en la transmisión sináptica desde una neurona presináptica a una célula postsináptica. Cada paso se explica con más detalle a continuación. Tenga en cuenta que, con excepción del paso final, el proceso completo puede durar solo unos pocos cientos de microsegundos, en las sinapsis más rápidas. ^[14]

1. El proceso comienza con una onda de excitación electroquímica llamada potencial de acción que viaja a lo largo de la membrana de la célula presináptica, hasta llegar a la sinapsis.
2. La despolarización eléctrica de la membrana en la sinapsis provoca la apertura de canales permeables a los iones de calcio.
3. Los iones de calcio fluyen a través de la membrana presináptica, aumentando rápidamente la concentración de calcio en el interior.
4. La alta concentración de calcio activa un conjunto de proteínas sensibles al calcio unidas a vesículas que contienen una sustancia química neurotransmisora .
5. Estas proteínas cambian de forma, provocando que las membranas de algunas vesículas "atracadas" se fusionen con la membrana de la célula presináptica, abriendo así las vesículas y vertiendo su contenido de neurotransmisores en la hendidura sináptica, el estrecho espacio entre las membranas de las células pre y postsinápticas.
6. El neurotransmisor se difunde dentro de la hendidura. Una parte se escapa, pero otra se une a las moléculas receptoras químicas ubicadas en la membrana de la célula postsináptica.
7. La unión del neurotransmisor hace que la molécula receptora se active de alguna manera. Existen varios tipos de activación posibles, como se describe con más detalle a continuación. En cualquier caso, este es el paso clave mediante el cual el proceso sináptico afecta el comportamiento de la célula postsináptica.
8. Debido a la vibración térmica , el movimiento de los átomos que vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio en un sólido cristalino, las moléculas de neurotransmisores eventualmente se desprenden de los receptores y se alejan.
9. El neurotransmisor es reabsorbido por la célula presináptica y luego reempaquetado para su futura liberación, o bien se descompone metabólicamente.

La liberación de un neurotransmisor se desencadena por la llegada de un impulso nervioso (o potencial de acción ) y ocurre a través de un proceso inusualmente rápido de secreción celular ( exocitosis ). Dentro de la terminal nerviosa presináptica, las vesículas que contienen neurotransmisores se localizan cerca de la membrana sináptica. El potencial de acción que llega produce una afluencia de iones de calcio a través de canales iónicos dependientes del voltaje y selectivos del calcio en el recorrido descendente del potencial de acción (corriente de cola). ^[15] Los iones de calcio luego se unen a las proteínas sinaptotagminas que se encuentran dentro de las membranas de las vesículas sinápticas, lo que permite que las vesículas se fusionen con la membrana presináptica. ^[16] La fusión de una vesícula es un proceso estocástico , que conduce a un fallo frecuente de la transmisión sináptica en las sinapsis muy pequeñas que son típicas del sistema nervioso central . Las sinapsis químicas grandes (por ejemplo, la unión neuromuscular ), por otro lado, tienen una probabilidad de liberación sináptica, en efecto, de 1. La fusión de vesículas es impulsada por la acción de un conjunto de proteínas en la terminal presináptica conocidas como SNARE . En su conjunto, el complejo proteico o estructura que media el acoplamiento y la fusión de vesículas presinápticas se denomina zona activa. ^[17] La ​​membrana añadida por el proceso de fusión se recupera posteriormente por endocitosis y se recicla para la formación de vesículas nuevas llenas de neurotransmisores.

Una excepción a la tendencia general de liberación de neurotransmisores por fusión vesicular se encuentra en las células receptoras de tipo II de las papilas gustativas de los mamíferos . En ellas, el neurotransmisor ATP se libera directamente desde el citoplasma hacia la hendidura sináptica a través de canales dependientes del voltaje. ^[18]

Los receptores del lado opuesto de la brecha sináptica se unen a las moléculas de neurotransmisores. Los receptores pueden responder de dos maneras generales. Primero, los receptores pueden abrir directamente canales iónicos controlados por ligando en la membrana celular postsináptica, lo que hace que los iones entren o salgan de la célula y cambien el potencial transmembrana local . ^[14] El cambio de voltaje resultante se llama potencial postsináptico . En general, el resultado es excitatorio en el caso de corrientes despolarizantes e inhibidor en el caso de corrientes hiperpolarizantes . El que una sinapsis sea excitatoria o inhibidora depende de qué tipo(s) de canal iónico conduce(n) la(s) corriente(s) postsinápticas, lo que a su vez es una función del tipo de receptores y neurotransmisores empleados en la sinapsis. La segunda forma en que un receptor puede afectar el potencial de membrana es modulando la producción de mensajeros químicos dentro de la neurona postsináptica. Estos segundos mensajeros pueden entonces amplificar la respuesta inhibidora o excitatoria a los neurotransmisores. ^[14]

Una vez que una molécula de neurotransmisor se une a una molécula de receptor, debe eliminarse para permitir que la membrana postsináptica continúe transmitiendo los siguientes EPSP y/o IPSP . Esta eliminación puede ocurrir a través de uno o más procesos:

• El neurotransmisor puede difundirse debido a oscilaciones inducidas térmicamente tanto de él como del receptor, lo que lo hace disponible para ser descompuesto metabólicamente fuera de la neurona o para ser reabsorbido. ^[19]
• Las enzimas dentro de la membrana subsináptica pueden inactivar/metabolizar el neurotransmisor.
• Las bombas de recaptación pueden bombear activamente el neurotransmisor de regreso a la terminal axónica presináptica para su reprocesamiento y liberación luego de un potencial de acción posterior. ^[19]

La fuerza de una sinapsis ha sido definida por Bernard Katz como el producto de la probabilidad de liberación (presináptica) pr , el tamaño cuántico q (la respuesta postsináptica a la liberación de una única vesícula de neurotransmisor, un "cuanto"), y n , el número de sitios de liberación. "Conexión unitaria" generalmente se refiere a un número desconocido de sinapsis individuales que conectan una neurona presináptica con una neurona postsináptica. La amplitud de los potenciales postsinápticos (PSP) puede ser tan baja como 0,4 mV hasta tan alta como 20 mV. ^[20] La amplitud de un PSP puede ser modulada por neuromoduladores o puede cambiar como resultado de la actividad previa. Los cambios en la fuerza sináptica pueden ser de corto plazo, durando segundos a minutos, o de largo plazo ( potenciación de largo plazo o LTP), durando horas. Se cree que el aprendizaje y la memoria son resultado de cambios a largo plazo en la fuerza sináptica, a través de un mecanismo conocido como plasticidad sináptica .

La desensibilización de los receptores postsinápticos es una disminución de la respuesta al mismo estímulo neurotransmisor. Esto significa que la fuerza de una sinapsis puede disminuir a medida que llegan en rápida sucesión una serie de potenciales de acción, un fenómeno que da lugar a la denominada dependencia de la frecuencia de las sinapsis. El sistema nervioso aprovecha esta propiedad con fines computacionales y puede ajustar sus sinapsis mediante medios como la fosforilación de las proteínas implicadas.

La transmisión sináptica puede verse alterada por la actividad previa. Estos cambios se denominan plasticidad sináptica y pueden dar lugar a una disminución de la eficacia de la sinapsis, denominada depresión, o a un aumento de la eficacia, denominada potenciación. Estos cambios pueden ser a largo o corto plazo. Las formas de plasticidad a corto plazo incluyen la fatiga o depresión sináptica y el aumento sináptico . Las formas de plasticidad a largo plazo incluyen la depresión a largo plazo y la potenciación a largo plazo . La plasticidad sináptica puede ser homosináptica (que se produce en una sola sinapsis) o heterosináptica (que se produce en varias sinapsis).

La plasticidad homosináptica (o también modulación homotrópica) es un cambio en la fuerza sináptica que resulta de la historia de actividad en una sinapsis particular. Esto puede ser resultado de cambios en el calcio presináptico, así como de la retroalimentación sobre los receptores presinápticos, es decir, una forma de señalización autocrina . La plasticidad homosináptica puede afectar el número y la tasa de reposición de vesículas o puede afectar la relación entre el calcio y la liberación de vesículas. La plasticidad homosináptica también puede ser de naturaleza postsináptica. Puede resultar en un aumento o disminución de la fuerza sináptica.

Un ejemplo son las neuronas del sistema nervioso simpático (SNS), que liberan noradrenalina , que además de afectar a los receptores postsinápticos, también afecta a los receptores α2-adrenérgicos presinápticos , inhibiendo la liberación adicional de noradrenalina. ^[21] Este efecto se utiliza con clonidina para realizar efectos inhibidores en el SNS.

La plasticidad heterosináptica (o también modulación heterotrópica) es un cambio en la fuerza sináptica que resulta de la actividad de otras neuronas. Nuevamente, la plasticidad puede alterar el número de vesículas o su tasa de reposición o la relación entre el calcio y la liberación de vesículas. Además, podría afectar directamente la entrada de calcio. La plasticidad heterosináptica también puede ser de naturaleza postsináptica, afectando la sensibilidad del receptor.

Un ejemplo son nuevamente las neuronas del sistema nervioso simpático , que liberan noradrenalina , la cual, además, genera un efecto inhibidor sobre las terminales presinápticas de las neuronas del sistema nervioso parasimpático . ^[21]

En general, si una sinapsis excitatoria es lo suficientemente fuerte, un potencial de acción en la neurona presináptica desencadenará un potencial de acción en la célula postsináptica. En muchos casos, el potencial postsináptico excitatorio (PSPE) no alcanzará el umbral para generar un potencial de acción. Cuando los potenciales de acción de múltiples neuronas presinápticas se activan simultáneamente, o si una sola neurona presináptica se activa a una frecuencia lo suficientemente alta, los PSPE pueden superponerse y sumarse. Si se superponen suficientes PSPE, el PSPE sumado puede alcanzar el umbral para iniciar un potencial de acción. Este proceso se conoce como suma y puede servir como un filtro de paso alto para las neuronas. ^[22]

Por otra parte, una neurona presináptica que libera un neurotransmisor inhibidor, como el GABA , puede provocar un potencial postsináptico inhibidor (IPSP) en la neurona postsináptica, alejando el potencial de membrana del umbral, disminuyendo su excitabilidad y haciendo más difícil que la neurona inicie un potencial de acción. Si un IPSP se superpone con un EPSP, el IPSP puede en muchos casos impedir que la neurona dispare un potencial de acción. De esta manera, la salida de una neurona puede depender de la entrada de muchas neuronas diferentes, cada una de las cuales puede tener un grado diferente de influencia, dependiendo de la fuerza y ​​el tipo de sinapsis con esa neurona. John Carew Eccles realizó algunos de los primeros experimentos importantes sobre la integración sináptica, por los que recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1963.

Cuando se libera un neurotransmisor en una sinapsis, alcanza su concentración más alta dentro del estrecho espacio de la hendidura sináptica, pero es seguro que una parte se difunde antes de ser reabsorbida o degradada. Si se difunde, tiene el potencial de activar receptores que se encuentran en otras sinapsis o en la membrana alejada de cualquier sinapsis. La actividad extrasináptica de un neurotransmisor se conoce como transmisión de volumen . ^[23] Está bien establecido que tales efectos ocurren en algún grado, pero su importancia funcional ha sido durante mucho tiempo un tema de controversia. ^[24]

Trabajos recientes indican que la transmisión de volumen puede ser el modo predominante de interacción para algunos tipos especiales de neuronas. En la corteza cerebral de los mamíferos, una clase de neuronas llamadas células neurogliaformes pueden inhibir a otras neuronas corticales cercanas al liberar el neurotransmisor GABA en el espacio extracelular. ^[25] En la misma línea, el GABA liberado desde las células neurogliaformes al espacio extracelular también actúa sobre los astrocitos circundantes , asignando un papel para la transmisión de volumen en el control de la homeostasis iónica y de neurotransmisores. ^[26] Aproximadamente el 78% de los botones de las células neurogliaformes no forman sinapsis clásicas. Este puede ser el primer ejemplo definitivo de neuronas que se comunican químicamente donde no hay sinapsis clásicas. ^[25]

Una sinapsis eléctrica es un enlace conductor de electricidad entre dos neuronas contiguas que se forma en un espacio estrecho entre las células presinápticas y postsinápticas , conocido como unión en hendidura . En las uniones en hendidura, las células se aproximan a unos 3,5  nm una de otra, en lugar de la distancia de 20 a 40 nm que separa a las células en las sinapsis químicas. ^{[27] [28]} A diferencia de las sinapsis químicas, el potencial postsináptico en las sinapsis eléctricas no es causado por la apertura de canales iónicos por transmisores químicos, sino por el acoplamiento eléctrico directo entre ambas neuronas. Las sinapsis eléctricas son más rápidas que las sinapsis químicas. ^[13] Las sinapsis eléctricas se encuentran en todo el sistema nervioso, incluso en la retina , el núcleo reticular del tálamo , el neocórtex y en el hipocampo . ^[29] Si bien las sinapsis químicas se encuentran entre neuronas excitadoras e inhibidoras, las sinapsis eléctricas se encuentran más comúnmente entre neuronas inhibidoras locales más pequeñas. Las sinapsis eléctricas pueden existir entre dos axones, dos dendritas o entre un axón y una dendrita. ^{[30] [31]} En algunos peces y anfibios , las sinapsis eléctricas se pueden encontrar dentro de la misma terminal de una sinapsis química, como en las células de Mauthner . ^[32]

Una de las características más importantes de las sinapsis químicas es que son el sitio de acción de la mayoría de las drogas psicoactivas . Las sinapsis se ven afectadas por drogas, como el curare, la estricnina, la cocaína, la morfina, el alcohol, el LSD y muchas otras. Estas drogas tienen diferentes efectos sobre la función sináptica y, a menudo, se limitan a las sinapsis que utilizan un neurotransmisor específico. Por ejemplo, el curare es un veneno que impide que la acetilcolina despolarice la membrana postsináptica, lo que provoca parálisis . La estricnina bloquea los efectos inhibidores del neurotransmisor glicina , que hace que el cuerpo capte y reaccione a estímulos más débiles y previamente ignorados, lo que resulta en espasmos musculares incontrolables . La morfina actúa sobre las sinapsis que utilizan neurotransmisores endorfinas , y el alcohol aumenta los efectos inhibidores del neurotransmisor GABA . El LSD interfiere con las sinapsis que utilizan el neurotransmisor serotonina . La cocaína bloquea la recaptación de dopamina y por tanto aumenta sus efectos.

Durante la década de 1950, Bernard Katz y Paul Fatt observaron corrientes sinápticas espontáneas en miniatura en la unión neuromuscular de la rana . ^[33] Basándose en estas observaciones, desarrollaron la "hipótesis cuántica" que es la base de nuestra comprensión actual de la liberación de neurotransmisores como exocitosis y por la que Katz recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1970. ^[34] A finales de la década de 1960, Ricardo Miledi y Katz propusieron la hipótesis de que la afluencia de iones de calcio inducida por la despolarización desencadena la exocitosis .

Sir Charles Scott Sherringtonin acuñó la palabra "sinapsis" y la historia de la palabra fue contada por Sherrington en una carta que le escribió a John Fulton:

'Sentí la necesidad de algún nombre para llamar a la unión entre neuronas... Sugerí usar "sindesmo"... Él [ Sir Michael Foster ] consultó a su amigo de la Trinidad Verrall , el erudito euripideano , al respecto, y Verrall sugirió "sinapsis" (del griego "cierre").'–Charles Scott Sherrington ^[4]

• Aclimatación (neuronas)
• Neurociencia
• Neurexina
• Sinapsis de cinta

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