Se sabía que las células de Merkel en las yemas de los dedos convertían la fuerza mecánica en una señal eléctrica, pero se desconocía cómo se transfería esa señal al nervio a través de la sinapsis.
Se sabía que las células de Merkel en las yemas de los dedos convertían la fuerza mecánica en una señal eléctrica, pero se desconocía cómo esa señal se transfería al nervio a través de la sinapsis. La transducción es el cambio de una forma de energía a otra, como una voz hablada convertida en ondas de radio. por un celular.
Hace diez años, tres equipos de investigación publicaron un gran avance: la primera descripción del mecanismo molecular de transducción en las células sensoriales de Merkel de las yemas de los dedos, que pueden transducir un tacto suave, una fuerza mecánica, en una corriente eléctrica. Ese descubrimiento le valió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2021 para uno de esos líderes de equipo, Ardem Patapoutian, Ph.D.
Sin embargo, persistía un misterio.
¿Cómo viaja la señal táctil en las células sensoriales de Merkel de la punta de los dedos a través del espacio de sinapsis vacío desde las células de Merkel hasta la punta de una célula nerviosa? Jianguo Gu, Ph.D., y sus colegas de la Universidad de Alabama en Birmingham ahora han respondido ese misterio en una estudiar publicado en la revista Neurona.
Gu informa que los protones son las señales que cruzan el espacio sináptico desde una célula de Merkel hasta un nervio aferente Aβ, y su equipo de la UAB identificó los receptores en el nervio que detectan los protones como ASIC, o canales iónicos sensibles al ácido. Los protones hacen que el ASIC abra su canal transmembrana, lo que permite una inundación de iones de sodio, o Na+, hacia el nervio. Esto, a su vez, puede desencadenar impulsos de potencial de acción que se propagan rápidamente por el nervio aferente hacia el cerebro.
“Nunca antes se había informado que los protones fueran transmisores principales en ninguna sinapsis, y su papel como transmisores principales para la transmisión táctil en los complejos de células-neuritas de Merkel es muy singular”, dijo Gu. Su descubrimiento añade los protones a la lista de neurotransmisores conocidos, como el glutamato, el GABA, la acetilcolina, la dopamina o la serotonina.
Las pequeñas células ovaladas de Merkel son clave para la discriminación táctil, la capacidad de diferenciar las propiedades físicas de los objetos, como la textura, la forma y los bordes. Como señaló la organización del Premio Nobel en 2021, “El sentido del tacto, iniciado por la detección de fuerzas mecánicas, nos proporciona el reconocimiento de la textura, el tamaño y la forma de los objetos, así como la sensibilidad táctil y a las vibraciones. Este sentido, por ejemplo, nos permite reconocer la suavidad de una almohada, la suave caricia de la piel o la sensación de una brisa”.
Mientras que las yemas de los dedos de los primates tienen la mayor cantidad de células de Merkel, lo que hace que la yema del dedo sea la parte más sensible del cuerpo humano, en los mamíferos no primates los receptores táctiles más sensibles son los bigotes. Así, el folículo del bigote, con sus numerosas células de Merkel y su exquisita sensibilidad, es biológicamente análogo a la yema del dedo humano. Para estudiar la transmisión de señales táctiles, el equipo de Gu estudió los folículos pilosos de los bigotes de los roedores.
En el folículo del bigote, la punta de cada nervio aferente se divide en aproximadamente 28 neuritas más pequeñas, hebras delgadas que sobresalen del extremo del nervio. Cada neurita se extiende para formar una sinapsis con una célula de Merkel en la parte frontal del folículo piloso del bigote. Para medir la recepción de una señal táctil de una célula de Merkel, los investigadores de la UAB obtuvieron grabaciones con parches en un heminodo (un lugar accesible para un parche en la neurita entre la sinapsis de las células de Merkel y la punta del nervio aferente) y en el primer nódulo de Ranvier, un sitio accesible en el nervio aferente justo debajo de la punta del nervio.
Esta fue una hazaña desafiante, dice Gu. “Nunca antes se habían realizado grabaciones con parche en axones aferentes Aβ cerca de las sinapsis de neuritas de Merkel debido a dificultades técnicas porque la mayoría de las partes de los axones aferentes Aβ están muy mielinizadas y son inaccesibles a los electrodos de grabación con parche”.
El parche-clamp utiliza una pipeta de vidrio extremadamente delgada para sujetarla a la membrana de una neurona. Después de perforar un agujero a través de la membrana, la abrazadera puede medir las corrientes eléctricas o el potencial de membrana en toda la célula.
En el estudio, las células de Merkel fueron evocadas mediante estimulación mecánica o corrientes despolarizantes, mientras que las pinzas de parche midieron las respuestas en el heminodo de la neurita y el primer nódulo de Ranvier en el nervio aferente.
Múltiples líneas de evidencia demostraron que los ASIC son los receptores en la neurita para las señales de discriminación táctil de las células de Merkel, dicen Gu y sus colegas.
Jianguo Gu, Ph.D.,
Fotografía: Steve Wood. Primero, la electrofisiología mostró que el receptor parecía ser un canal selectivo de Na+, una clase de canales iónicos que incluirían los ASIC. En segundo lugar, los investigadores descubrieron que los bloqueadores farmacológicos y de toxinas del ASIC impedían la recepción de las señales de las células de Merkel en el nervio aferente, y la eliminación genética de una de las subunidades del ASIC, para hacerla menos eficaz, reducía la recepción de las señales en el nervio aferente. En tercer lugar, las imágenes de fluorescencia inmune mostraron que los ASIC se expresan en las terminales aferentes Aβ que inervan los complejos de neuritas y células de Merkel. En cuarto lugar, la aplicación focal de protones a las neuritas de los complejos célula-neurita de Merkel evocó directamente corrientes excitadoras en el nervio aferente. En quinto lugar, neutralizar los protones endógenos utilizando agentes alcalinizantes o impedir la liberación de protones de las vacuolas de las células de Merkel bloqueó la transmisión de la señal táctil de las células de Merkel al nervio aferente.
Una última prueba provino de animales en una prueba conductual de reconocimiento táctil.
Cuando se coloca una rata o un ratón en una caja de campo abierto que contiene dos objetos lisos idénticos colocados en esquinas diagonales, pasan cantidades iguales de tiempo usando sus bigotes para palpar y reconocer cada objeto. Si uno de los objetos lisos se reemplaza por un objeto con una forma idéntica pero con una superficie rugosa, cuando los roedores regresan a la caja de campo abierto pasan mucho más tiempo palpando el nuevo objeto de superficie rugosa, en comparación con el objeto liso.
Los investigadores de la UAB descubrieron que administrar a las ratas dos bloqueadores farmacológicos diferentes de ASIC eliminaba esa preferencia por el nuevo objeto de superficie rugosa, lo que sugiere que los animales tratados con bloqueadores de ASIC no podían discriminar el objeto rugoso como un nuevo estímulo táctil.
Para respaldar aún más la idea de que los canales ASIC están involucrados en la discriminación táctil de los bigotes, los investigadores probaron ratones que tenían la eliminación de una de las subunidades ASIC. En los experimentos de discriminación táctil, a diferencia de los controles, los ratones con esa subunidad ASIC eliminada no mostraron preferencia para palpar el nuevo objeto. Al igual que en el experimento con ratas, esto sugirió que los ratones mutantes ASIC no podían discriminar el objeto de superficie rugosa como un estímulo táctil novedoso.
“Inicialmente, se pensaba que los ASIC eran transductores mecánicos de mamíferos”, dijo Gu. “Sin embargo, numerosos estudios realizados en las últimas décadas no pudieron establecer que los ASIC sean transductores mecánicos en mamíferos. En el presente estudio, hemos descubierto que, en lugar de servir como transductores mecánicos, los ASIC median la transmisión sináptica excitadora rápida en los complejos de células-neuritas de Merkel para codificar señales táctiles y permitir la discriminación táctil”.
Gu, quien fue uno de los tres líderes de equipo que hace 10 años describió por primera vez el mecanismo molecular de transducción en las células sensoriales de la punta de los dedos que pueden transducir un toque suave en una corriente eléctrica, es el Dr. Edward A. Ernst, presidente y director de Dolor. Investigación en el Departamento de Anestesiología y Medicina Perioperatoria de la UAB en la Facultad de Medicina Marnix E. Heersink.
Coautores con Gu in the Neuron estudiar, “Los ASIC median la transmisión sináptica excitadora rápida para la discriminación táctil”, son Akihiro Yamada, Jennifer Ling y Ayaka I. Yamada, Departamento de Anestesiología y Medicina Perioperatoria de la UAB; y Hidemasa Furue, Universidad Médica de Hyogo, Nishinomiya, Japón.
El apoyo provino de las subvenciones NS109059, DE018661 y DE023090 de los Institutos Nacionales de Salud.
2024-02-14 17:00:42
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