Un equipo de investigadores ha creado un modelo matemático que describe los eventos moleculares asociados con la etapa inicial de aprendizaje y formación de memoria en el cerebro humano.
La investigación, publicada en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias , allana el camino para comprender la función cognitiva y las enfermedades neurodegenerativas, a nivel molecular y celular.
El estudio se centra en la dinámica de las espinas dendríticas, que son estructuras espinosas que permiten que las neuronas se comuniquen entre sí. Cuando una columna recibe una señal de otra neurona, responde expandiéndose rápidamente en volumen, un evento llamado expansión transitoria de la columna vertebral.
La expansión transitoria de la columna vertebral es uno de los primeros eventos que conducen al aprendizaje y la formación de la memoria. Consiste en una cascada de procesos moleculares que abarcan de cuatro a cinco minutos, comenzando cuando una neurona envía una señal a otra neurona.
Muchos de los procesos moleculares que conducen a la expansión transitoria de la columna ya han sido identificados experimentalmente y publicados en la literatura. Aquí, los autores construyeron un mapa de muchos de estos procesos conocidos en un marco computacional.
"Las espinas son estructuras dinámicas que cambian de tamaño, forma y número durante el desarrollo y el envejecimiento. La dinámica de la columna vertebral se ha implicado en la memoria, el aprendizaje y diversos trastornos neurodegenerativos y del desarrollo neurológico, como el Alzheimer, el Parkinson y el autismo. Comprender cómo pueden afectar las diferentes moléculasLa dinámica de la columna vertebral eventualmente puede ayudarnos a desmitificar algunos de estos procesos en el cerebro ", dijo Padmini Rangamani, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de California en San Diego y primer autor del estudio.
"Este trabajo muestra que las espinas dendríticas, que son compartimentos submicrométricos dentro de las neuronas individuales, son los principales candidatos para la etiqueta inicial de actividad sináptica transitoria de milisegundos que eventualmente organiza huellas de memoria en el cerebro que duran decenas de años", dijo ShahidKhan, científico senior en el Consorcio de Biología Molecular en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y coautor de la PNAS papel
En este estudio, los investigadores construyeron un modelo matemático, basado en ecuaciones diferenciales ordinarias, que vinculan los diferentes procesos moleculares asociados con la expansión de la columna vertebral. Identificaron los componentes clave moléculas y enzimas y las reacciones químicas que regulan la expansión de la columna vertebral.
Como resultado, observaron un patrón interesante: que los mismos componentes podrían activar y desactivar algunos de los pasos de la secuencia, un fenómeno llamado señalización paradójica. Además, vincularon las reacciones químicas de las diferentes moléculas conLa reorganización del citoesqueleto de actina, que le da forma a la célula.
Rangamani explicó que ambas características, señalización paradójica y vinculación de la expansión de la columna vertebral a la reorganización de actina, hacen que este modelo sea robusto. "Al unir todas estas piezas complicadas en un marco matemático simple, podemos comenzar a comprender los mecanismos subyacentes deexpansión de la columna vertebral. Este es uno de los beneficios de combinar la mecánica del citoesqueleto y la bioquímica. Podemos reunir piezas de trabajo experimental que a menudo no se ven. Sin embargo, debemos tener en cuenta que solo estamos en las primeras etapas de comprensión de qué espinas,las neuronas y el cerebro pueden hacer "
"Este trabajo es notable por reunir aspectos de diversas disciplinas biología de sistemas, señalización celular, mecanobiología de la actina y proteómica y debería motivar esfuerzos multidisciplinarios similares para otros problemas en la neurociencia celular fundamental", dijo Khan.
Rangamani comenzó esta investigación como becaria postdoctoral en el laboratorio de George Oster, profesor emérito de biología celular y del desarrollo en la Universidad de California, Berkeley y autora principal del estudio. Continuó este trabajo y lo incorporó a su programa de investigación enJacobs School of Engineering en UC San Diego.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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