Los astrocitos del sur y las neuronas santiaguinas

Suele suceder que alguien se lleva todo el crédito por un trabajo que es en conjunto. Por ejemplo, en Chile, los problemas de Santiago  tienden a acaparar toda la opinión pública, a pesar de que nuestras principales fuentes de riqueza están lejos de las urbes. En nuestro sistema nervioso, pasa algo similar con las neuronas, pues aunque son claves para su funcionamiento, no son las únicas que merecen atención. Desde hace un buen tiempo sabemos que nuestro cerebro también necesita la presencia de otro tipo de células, llamadas células gliales*, para poder funcionar adecuadamente. En la columna de esta semana, nos sorprenderemos con la célula glial más abundante: el astrocito.

La palabra astrocito deriva del griego “aster” que significa estrella, precisamente por su morfología estrellada (Figura 1 y 2). Una anécdota interesante es que al analizar el cerebro de Albert Einstein no se encontraron grandes diferencias en el tamaño y número de neuronas respecto del humano promedio, pero sí se observó una mayor proporción de astrocitos por cada neurona en ciertas zonas de la corteza cerebral, específicamente el área 39 de Brodman. Curiosamente, Robert Galambos (premio Nobel por descubrir el mecanismo de navegación de los murciélagos) alguna vez soñó que la clave del fenómeno de la conciencia podía entenderse gracias a los astrocitos. Bueno, si bien este sueño es sólo una especulación, nos deja la inquietud de profundizar mucho más en estas células.

Figura 1. A la izquierda, se muestran cuatro astrocitos de cerebro inyectados con una marca fluorescente roja y verde. En su ambiente, los astrocitos son "territoriales" y tienden a ocupar lugares únicos con bajo nivel de solapamiento entre ellos. A la derecha se aprecia un cultivo celular de astrocitos donde está en rojo la proteína marcadora de astrocitos GFAP y en azul los núcleos celulares. En cultivo, los astrocitos tienden a perder su forma estrellada característica y a ser extremadamente planos. Las barras blancas tienen un tamaño de 100 micrones en ambas fotos. Fuente: fotografía modificada de Google images (izquierda) y foto original (derecha).

Figura 2. Corte tridimensional de una estructura del cerebro llamada hipocampo en donde se aprecian astrocitos teñidos con su marcador (GFAP) en rojo. Una de estas células está seleccionada en amarillo y se muestra en la amplificación. Podemos notar claramente la morfología ramificada y con forma de estrella La barra blanca mide 70 micrones. Fuente: Imágen original.

Cuando pensamos en el cerebro, nos imaginamos que está repleto de neuronas. Sin embargo, en humanos y primates superiores, ellas sólo corresponden a la mitad del total de células del tejido cerebral, el resto  corresponde fundamentalmente a astrocitos y otras glías. Es interesante notar que en invertebrados, como la mosca de la fruta, las células gliales ocupan menos del 10% del cerebro y las neuronas el otro 90%. Concordante con lo anterior, se sabe que los organismos más alejados filogenéticamente**  del ser humano (que no es sinónimo de MENOS evolucionados) tienen una menor proporción de astrocitos en su cerebro. Mientras más cercanas a los mamíferos y primates se encuentran las especies, mayor es la cantidad de astrocitos en su cerebro y su tamaño se vuelve más parecido al de los humanos. Esto sugiere que existe una estrecha relación entre el estilo de vida de un animal y el número de astrocitos presente su sistema nervioso. Pero entonces ¿Qué hacen los astrocitos?

Proveedores esenciales

El 99% de los vasos sanguíneos que llega directamente al tejido cerebral pasa por un estricto control en estas células (figura  3) Para lograrlo, los astrocitos (mediante prolongaciones que son como sus “píes” o “manos”) recubren venas y arterias, formando una especie de Aduana de moléculas en donde tan sólo algunas serán capaces de entrar. Este límite estricto que forman junto con los vasos sanguíneos se conoce como barrera hematoencefálica. Por otro lado, al conectar con neuronas y vasos sanguíneos al mismo tiempo, los astrocitos pueden regular la cantidad de sangre que llega a un determinado lugar del cerebro en respuesta a la actividad neuronal. Para ello, liberan sustancias que aumentan o disminuyen el diámetro del vaso sanguíneo (Figura 2, abajo) De esta manera, el paso de oxígeno y glucosa desde la sangre a las neuronas está finamente regulado por estas células. Además, gracias a la barrera hematoencefálica, muchos medicamentos, si bien pueden llegar a nuestra sangre, no son capaces de atravesar al tejido cerebral para ejercer su acción. Este tipo de problemas enfrentan muchos fármacos que tienen dificultad para alcanzar una dosis terapéutica en el cerebro.

Figura 3.  Arriba se muestra un dibujo de Santiago Ramón y Cajal (para muchos el padre de la neurociencia moderna) en donde se muestran astrocitos del cerebro cuyos procesos envuelven una gran área los vasos sanguíneos (flechas), esto es lo que constituye la barrera hematoencefálica. Abajo, se esquematiza la relación entre la actividad de las neuronas que liberan neurotransmisores (en rojo) que son detectados por astrocitos que al mismo tiempo contactan a un vaso sanguíneo, induciendo su relajación o contracción. Fuente: Google images (modificada)

La gran mayoría del suministro energético de las neuronas proviene del lactato que producen los astrocitos. Para hacer esto, los astrocitos transforman la glucosa que capturan desde de la sangre en lactato (mediante un proceso llamado glicólisis) que luego es liberado y capturado por las neuronas. Debido a la alta demanda energética de las neuronas (por su actividad eléctrica), los astrocitos se han especializado en apoyarlas metabólicamente. En otras palabras, tal cual está organizado el cerebro humano, las neuronas no pueden vivir sin los astrocitos, pues sin ellos se intoxican, se asfixian y se mueren de hambre.

Control integrado de la actividad neuronal

Los astrocitos forman una red gigantesca de células interconectadas entre sí mediante pequeños canales moleculares (llamados conexinas) a lo largo y ancho de todo el cerebro. La morfología especial de los astrocitos permite que funcionen como verdaderos agentes infiltrados de las sinapsis (unión funcional entre dos neuronas)En este sentido, los astrocitos están constantemente “escuchando” todo lo que las neuronas conversan (entendiendo que cada palabra es un determinado ión o neurotransmisor liberado) Ahora, para poder “escuchar” esta conversación, cada astrocito expresa en su superficie prácticamente todos los tipos de receptores y canales que es posible hallar en las neuronas (quizás los contrate la desprestigiada Agencia nacional de inteligencia) De esta manera, cuando las neuronas liberan señales en sus sinapsis también activan a los receptores presentes en astrocitos cercanos quienes convertirán estas señales en fluctuaciones u ondas de calcio internas  (sí, el mismo que forma nuestros huesos) Tal como se aprecia en este video cada vez que una neurona dispara, una onda de calcio se activa y “prende” completamente un astrocito. Estas ondas de calcio forman una especie de código de activación que además puede viajar varios “astrocitos de distancia” dentro de una red (mediante conexinas), tal como lo muestra este registro. Luego, se liberarán distintas sustancias desde los astrocitos que modificarán la actividad neuronal, y por lo tanto, el procesamiento de las señales nerviosas (figura 4) Entonces, los astrocitos no sólo "escuchan" lo que dicen las neuronas sino que además "opinan" sobre aquello y lo comunican a zonas distantes entre sí (mecanismo adicional de regulación en el cerebro) Finalmente, como un sólo astrocito puede envolver íntimamente y controlar más de 10.000 sinapsis, se ha postulado que cada una de estas células funciona como un centro integrador y modulador de la actividad neuronal en gran escala.

Figura 4. Representación esquemática de la unión funcional entre procesos de astrocitos y la sinapsis neuronal. La liberación de diversas moléculas neurotransmisoras por la neurona presináptica no solamente activa a los receptores de la neurona postsináptica, sino que además,  aquellos presentes en astrocitos. Esta unión genera señales de calcio que inducen  la liberación de sustancias reguladoras de las sinapsis.

Desafíos futuros

Actualmente se acepta que ninguna enfermedad neurológica puede excluir a las glías,y por lo tanto, a los astrocitos de sus causas. La influencia de estas células puede abarcar desde el aspecto emocional, como el trastorno depresivo, hasta enfermedades neurodegenerativas severas como la esclerosis lateral amiotrófica. Por ejemplo, buena parte de la reducción del hipocampo que se observa en pacientes deprimidos (lo que conlleva serios problemas emocionales) se explica por una pérdida importante de astrocitos y glias en general. Este cambio de perspectiva es importante, pues para alcanzar la cura de muchas de estas patologías, tal vez la respuesta más sencilla no sea sanar a las neuronas sino a quienes les ayudan a funcionar.

* La palabra glia quiere decir "pegamento". El nombre tiene su origen en las primeras descripciones anatómicas, hechas por Camilo Golgi, pues se pensaba que su función principal era sostener físicamente a las neuronas. La células gliales  son fundamentalmente: Astrocitos, Pericitos, Oligodendrocitos y Microglías .Todas ellas se encuentran en el sistema nervioso central ya sea a nivel de la médula espinal o del cerebro. Cada una tiene funciones y orígenes embrionarios distintos.

** La filogenia es la historia evolutiva de los organismos, considerando los ancestros comunes que les dieron orígen. Comúnmente, estas relaciones se representan por un "árbol filogenético" que se construye considerando la variación en los genes de cada especie.

Súper, súper, súper cúmulo!

El otro día un tipo empezó a hablarme en la micro. Me preguntó en qué trabajaba, y por supuesto, astrónoma atrajo su atención, por lo que empezó a hacerme preguntas. Estábamos hablando de formación de estrellas en la Vía Láctea, y él me mira con cara de confusión y dice: Espera, esto es más allá de Júpiter, cierto?.... Más allá de Júpiter, dice... POR SUPUESTO! Y descubrí, o redescubrí en realidad, que la gente está perdida en el espacio, y no entiende las escalas de distancias involucradas. Hey, no puedo culparlos, yo también olvido lo grande que es el Universo y vuelvo a maravillarme cuando lo pienso. Así que esta columna tratará un poco de escalas de distancia, en el contexto de una noticia que salió la semana pasada: El Supercúmulo Laniakea. Siga leyendo para saber de qué demonios hablo.

Más alla de Júpiter

Para entender Laniakea, hay que entender primero nuestro lugar en el Universo. Partamos por lo básico: Nosotros vivimos en el planeta Tierra, en el sistema Solar. La Tierra tiene un diámetro de 12.756 km, aproximadamente el triple del largo de Chile. Nuestra estrella más cercana, el Sol, está a una distancia de 149.600.000 km. La comparación entre ambos números se escapa del sentido común, por lo que en astronomía no tiene sentido usar la unidad de kilómetros, en su lugar utilizaré para seguir comparando una unidad didáctica, el año luz, la distancia que recorre la luz en un año. Usando esta unidad, la Luna se encuentra a una distancia de 1 segundo luz; el sol a 8 minutos luz; la estrella más cercana al Sol, Proxima Centauri, a 4 años luz. Que quede claro: la luz de la estrella más cercana a nuestro Sol se demora 4 años en llegar a la Tierra.

Nuestra ubicación en la Galaxia nos trae números aún más espectaculares. El Sol está ubicado a 26.000 años luz del centro de la Vía Láctea, que a su vez tiene un diámetro de 100.000 años luz... Van captando la idea?

Esquema de la posición del Sistema Solar en la Vía Láctea. La zona amarilla marca el centro Galáctico, o bulbo. Nosotros somos partes de uno de los brazos que conforman la espiral de la Galaxia, el brazo de Orion. Fuente: Google Images

Y como si no fuera suficiente, nuestra galaxia es una de las muchas que hay en lo que se conoce como el grupo Local. La Vía Láctea y la galaxia Andrómeda son las dominantes, pero hay muchas galaxias menores, enanas incluso, en nuestro vecindario.

Album de fotos del Grupo Local. La Vía Láctea y Andrómeda corresponden a los números 1 y 21 en la imagen. Alrededor de estas galaxias principales se encuentran los sistemas de galaxias enanas de cada una, llamadas satélites.  Fuente: Scienceblogs

Y sí, adivinaron... La historia no acaba ahí.

El Grupo Local (que puede ser un buen nombre para una banda) es parte de un conjunto de muchas galaxias más, lo que se conoce como el cúmulo de Virgo. A este nivel estamos hablando de un tamaño de algunos millones de años luz.

La razón de por qué se forman estos conjuntos o cúmulos es simplemente debido a la masa de sus componentes, lo que lleva a una interacción gravitacional, la misma interacción entre la tierra y nosotros cuando nos caemos.  Y con masa no me refiero a lo visible, también está involucrada la materia oscura, es decir, masa que “sentimos” interactúa gravitacionalmente, pero que no vemos donde está; no emite luz. Es invisible.

Las estructuras entonces están íntimamente relacionadas por gravedad, por lo que estudiar el movimiento de sus componentes nos permite trazar un mapa de su extensión.

Mega-Estructuras

Las estructuras más grandes en el Universo son los súpercumulos de galaxias. Esto es, un conjunto de cúmulos de galaxias, como Virgo. En nuestro caso, el súpercumulo al que pertenecemos se llama Súpercumulo de Virgo, porque nos gusta ser recursivos con los nombres.**

A este nivel, es difícil trazar con detalle la extensión de estas estructuras, ya que no tienen un borde definido. Como las distancias son tan grandes en la estructura, la interacción gravitacional se debilita y su movimiento no se ve fuertemente afectado, por lo tanto, cuesta aún más definir su extensión. Un problema adicional es la propia expansión del Universo, que produce un alejamiento de las galaxias con respecto a nosotros (y con respecto a cualquier punto, ya que no hay una dirección privilegiada en la expansión). Este alejamiento tiene un efecto en las ondas electromagnéticas que emiten las estrellas, tal como se manifiesta el efecto Doppler en las ondas sonoras. Este alejamiento entonces produce que la longitud de onda observada de las galaxias estén corridos hacia el rojo.

Recordemos el espectro de las ondas electromagnéticas. Un corrimiento al rojo significa que la longitud de onda se mueve hacia el lado de las ondas de radio, lo que explica el uso de radiotelescopios en el estudio de Laniakea. El arcoiris central es el rango de la luz visible.  Fuente: Wikipedia

Un grupo de astrónomos de la Universidad de Hawaii observó miles de galaxias con diferentes radiotelescopios. Para determinar el movimiento relativo entre las galaxias, sustrajeron la componente de velocidad causada por la expansión. Y encontraron que el Súpercumulo de Virgo es parte de una estructura aún más grande. Por pertenecer a la Universidad de Hawaii y por la choreza, la nombraron Laniakea, que en hawaiano significa Cielo Inmenso. Laniakea tiene un tamaño de 500 millones de años luz y tiene una masa de 100 millones de millones de soles, repartida en 100.000 galaxias.

Con ustedes, Laniakea. Cada punto blanco es una galaxia, y las líneas representan su movimiento en el súpercumulo. El punto azul corresponde a nuestra posición. El fondo representa un mapa de densidad, la zona roja muestra la mayor concentración de galaxias, las zonas azules son lo que se conoce como vacíos.

Fuente: SDvision interactive visualization software by DP at CEA/Saclay, France.

Para que sigan maravillándose con este asunto de las escalas de distancia, les dejo una animación que salió hace algún tiempo en una de nuestras páginas favoritas, Foto astronómica del día (APOD en inglés). En esta animación ustedes pueden mover una barra para comparar los distintos tamaños que se conocen en la naturaleza, desde partículas subatómicas hasta súpercumulos de galaxias. Los invito a jugar un rato y estrujar su cerebro, porque es difícil asimilarlo. Me imagino la cara de impresión de mi amigo de la micro cuando se de cuenta de todo lo que hay más allá de Júpiter. 


Les dejo el video de la animación si les da lata el scroll, si no, el link está aca

**En realidad, el nombre lo recibe porque está ubicado en la dirección donde está la constelación de Virgo en el cielo.