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¿Los astrocitos se conectan y se comunican químicamente con otros astrocitos?

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Estoy construyendo un modelo novedoso de tejido neural para el aprendizaje automático y actualmente estoy tratando de desentrañar las funciones de la astroglia.

La literatura sugiere que los astrocitos envuelven las sinapsis, proporcionándoles soporte estructural, dado que la sinapsis es una gota aceitosa entre dos 'tentáculos' neuronales, esto tiene sentido, realiza funciones de cuidador en las sinapsis que envuelve con respecto a los neurotransmisores y, a través de sus pies perivasculares, proporciona recursos de los vasos sanguíneos cercanos.

La literatura continúa sugiriendo que el astrocito puede desempeñar un papel en algunos trastornos neurológicos si los 'efectos' iónicos de un par de pies perivasculares, es decir, un conjunto de sinapsis, 'se filtran' a través de una barrera química interna dentro de dicho astrocito, para propagarse el "efecto" a otro conjunto de sinapsis quizás no relacionadas. Puedo ver cómo esto podría influir y causar un aprendizaje no relacionado, que puede ser un sello distintivo de algunos trastornos neurológicos, uno de los cuales sugiere el artículo es la esquizofrenia y sus patrones de aprendizaje irregular y no ganado.

Puedo apreciar cómo alguna forma de aprendizaje localizado o aprendizaje de vía total o parcial, en oposición al aprendizaje puro a nivel de neuronas individuales, sin duda sería beneficioso para una red de aprendizaje para acelerar el aprendizaje.

¿Los astrocitos se conectan a los astrocitos y, de ser así, cómo y qué mensajes químicos están presentes allí?

Me disculpo porque no soy un neuroquímico, solo un desarrollador de software con experiencia en electrónica y, aunque puedo seguir algo de química, estoy interesado en el propósito funcional de estos componentes biológicos. La naturaleza solo tenía química con la que trabajar cuando estos mecanismos evolucionaron pero, aparte, si hubiera tenido acceso a la electrónica y el software, se supone que el tejido neural habría sido mucho más fácil de comprender para nosotros.


El contacto de astrocito a astrocito y un circuito de retroalimentación positiva de la señalización del factor de crecimiento regulan la maduración de los astrocitos

(29 de abril de 2019)

por Jiwen Li, Rana R. Khankan, Christine Caneda, Marlesa I. Godoy, Michael S. Haney, Mitchell C. Krawczyk, Michael C. Bassik, Steven A. Sloan, Ye Zhang Publicado 'Glia'

Esto parece darme los detalles que necesitaba.

La maduración de los astrocitos parece acelerarse debido a la señalización química de los astrocitos en su vecindad, pero los astrocitos no se "envían señales", como se entiende como una característica de aprendizaje en red, entre sí.

Gracias por su asistencia.


Células gliales

Ya no se considera que las células gliales, las células neurogliales o la glía tengan un papel puramente estructural dentro del sistema nervioso central, sino que también se ha descubierto que regulan las tasas de activación nerviosa, la plasticidad cerebral y las respuestas inmunitarias. Estas numerosas células pequeñas que carecen de axones y / o dendritas han sido objeto de importantes investigaciones, pero todavía estamos apenas rascando la superficie de muchas de sus funciones. Las células gliales existen en el sistema nervioso central (SNC) y en el sistema nervioso periférico, algunos tipos de células gliales pueden incluso moverse a través de la barrera entre el SNC y el SNP.


Historia de las células gliales

Las células gliales forman el otro células del cerebro. Son un grupo diverso de células que son versátiles en su rango de funciones.

Las células gliales fueron descubiertas por primera vez en 1838 por Robert Remak. Descubrió las células de Schwann (llamadas así por Theodor Schwann, quien confirmó el descubrimiento de Remak & rsquos), que son un tipo de célula glia que cubre el axón largo de la neurona & rsquos. Después de este avance inicial, se descubrieron muchas otras células gliales, a partir de astrocitos en forma de estrella, pequeñas microglías y oligodendrocitos de múltiples puntas.

Sin embargo, todas estas células, a pesar de su diversidad, fueron relegadas al mero estatus de & ldquoglue & rdquo, el origen griego de la palabra & ldquoglia & rdquo. Los neurocientíficos de principios del siglo XX pensaban que la glía no hacía más que apoyar a las neuronas en sus funciones.


Neuronas

Cuatro tipos principales de neuronas transmiten señales a través del cuerpo a través de estructuras especializadas como dendritas, axones y sinapsis.

Objetivos de aprendizaje

Describir las funciones de los componentes estructurales de una neurona.

Conclusiones clave

Puntos clave

  • Las dendritas son estructuras en forma de árbol en las neuronas que se extienden desde el cuerpo celular para recibir mensajes de otras neuronas en las sinapsis; no todas las neuronas tienen dendritas.
  • Las sinapsis permiten que las dendritas de una sola neurona interactúen y reciban señales de muchas otras neuronas.
  • Los axones son estructuras en forma de tubo que envían señales a otras neuronas, músculos u órganos. No todas las neuronas tienen axones.
  • Las neuronas se dividen en cuatro tipos principales: unipolar, bipolar, multipolar y pseudounipolar.
  • Las neuronas unipolares tienen una sola estructura que se extiende desde el soma. Las neuronas bipolares tienen un axón y una dendrita que se extiende desde el soma.
  • Las neuronas multipolares contienen un axón y muchas dendritas. Las neuronas pseudounipolares tienen una estructura única que se extiende desde el soma, que luego se ramifica en dos estructuras distintas.

Términos clave

  • dendrita: proyecciones ramificadas de una neurona que conducen los impulsos recibidos de otras células neurales al cuerpo celular.
  • axon: proyección larga y delgada de una célula nerviosa que conduce los impulsos nerviosos desde el cuerpo celular a otras neuronas, músculos y órganos
  • sinapsis: la unión entre la terminal de una neurona y otra neurona o un músculo o célula de una glándula, sobre la cual pasan los impulsos nerviosos

Neuronas

El sistema nervioso de la mosca de laboratorio común, Drosophila melanogaster, contiene alrededor de 100.000 neuronas, el mismo número que una langosta. Este número se compara con 75 millones en el ratón y 300 millones en el pulpo. Un cerebro humano contiene alrededor de 86 mil millones de neuronas. A pesar de estos números tan diferentes, el sistema nervioso de estos animales controla muchos de los mismos comportamientos, desde reflejos básicos hasta comportamientos más complicados como encontrar comida y cortejar pareja. La capacidad de las neuronas para comunicarse entre sí, así como con otros tipos de células, es la base de todos estos comportamientos.

La mayoría de las neuronas comparten los mismos componentes celulares. Pero las neuronas también son altamente especializadas: diferentes tipos de neuronas tienen diferentes tamaños y formas que se relacionan con sus roles funcionales.

Partes de una neurona

Cada neurona tiene un cuerpo celular (o soma) que contiene un núcleo, un retículo endoplásmico liso y rugoso, un aparato de Golgi, mitocondrias y otros componentes celulares. Las neuronas también contienen estructuras únicas, en relación con la mayoría de las células, que son necesarias para recibir y enviar las señales eléctricas que hacen posible la comunicación neuronal. Las dendritas son estructuras en forma de árbol que se extienden desde el cuerpo celular para recibir mensajes de otras neuronas en uniones especializadas llamadas sinapsis. Si bien algunas neuronas no tienen dendritas, otros tipos de neuronas tienen múltiples dendritas. Las dendritas pueden tener pequeñas protuberancias llamadas espinas dendríticas, que aumentan aún más el área de superficie para posibles conexiones sinápticas.

Estructura celular de las neuronas: Las neuronas contienen orgánulos comunes a muchas otras células, como el núcleo y las mitocondrias. También tienen estructuras más especializadas, que incluyen dendritas y axones.

Una vez que la dendrita recibe una señal, viaja pasivamente al cuerpo celular. El cuerpo celular contiene una estructura especializada, el montículo axónico, que integra señales de múltiples sinapsis y sirve como unión entre el cuerpo celular y un axón: una estructura en forma de tubo que propaga la señal integrada a terminaciones especializadas llamadas terminales axónicas. Estas terminales, a su vez, hacen sinapsis con otras neuronas, músculos u órganos diana. Los productos químicos liberados en los terminales de los axones permiten que las señales se comuniquen a estas otras células. Las neuronas suelen tener uno o dos axones, pero algunas neuronas, como las células amacrinas de la retina, no contienen ningún axón. Algunos axones están cubiertos con mielina, que actúa como aislante para minimizar la disipación de la señal eléctrica a medida que viaja por el axón, lo que aumenta en gran medida la velocidad de conducción. Este aislamiento es importante ya que el axón de una neurona motora humana puede tener una longitud de hasta un metro: desde la base de la columna hasta los dedos de los pies. En realidad, la vaina de mielina no forma parte de la neurona. La mielina es producida por células gliales. A lo largo de estos tipos de axones, existen lagunas periódicas en la vaina de mielina. Estos espacios, llamados & # 8220nodos de Ranvier & # 8221, son sitios donde la señal se & # 8220 recarga & # 8221 a medida que viaja a lo largo del axón.

Es importante señalar que una sola neurona no actúa sola. La comunicación neuronal depende de las conexiones que las neuronas establecen entre sí (así como con otras células, como las células musculares). Las dendritas de una sola neurona pueden recibir contacto sináptico de muchas otras neuronas. Por ejemplo, se cree que las dendritas de una célula de Purkinje en el cerebelo reciben contacto de hasta 200.000 otras neuronas.

Tipos de neuronas

Existen diferentes tipos de neuronas, el papel funcional de una neurona determinada depende íntimamente de su estructura. Existe una asombrosa diversidad de formas y tamaños de neuronas que se encuentran en diferentes partes del sistema nervioso (y entre especies).

Diversidad de neuronas: Existe una gran diversidad en el tamaño y la forma de las neuronas en todo el sistema nervioso. Los ejemplos incluyen (a) una célula piramidal de la corteza cerebral, (b) una célula de Purkinje de la corteza cerebelosa y (c) células olfativas del epitelio olfatorio y el bulbo olfatorio.

Si bien hay muchos subtipos de células neuronales definidos, las neuronas se dividen ampliamente en cuatro tipos básicos: unipolar, bipolar, multipolar y pseudounipolar. Las neuronas unipolares tienen una sola estructura que se extiende fuera del soma. Estas neuronas no se encuentran en vertebrados, pero se encuentran en insectos donde estimulan músculos o glándulas. Una neurona bipolar tiene un axón y una dendrita que se extienden desde el soma. Un ejemplo de neurona bipolar es una célula bipolar de la retina, que recibe señales de las células fotorreceptoras que son sensibles a la luz y las transmite a las células ganglionares que llevan la señal al cerebro. Las neuronas multipolares son el tipo de neurona más común. Cada neurona multipolar contiene un axón y múltiples dendritas. Las neuronas multipolares se pueden encontrar en el sistema nervioso central (cerebro y médula espinal). La célula de Purkinje, una neurona multipolar en el cerebelo, tiene muchas dendritas ramificadas, pero solo un axón. Las células pseudounipolares comparten características con las células unipolares y bipolares. Una célula pseudounipolar tiene una estructura única que se extiende desde el soma (como una célula unipolar), que luego se ramifica en dos estructuras distintas (como una célula bipolar). La mayoría de las neuronas sensoriales son pseudounipolares y tienen un axón que se ramifica en dos extensiones: una conectada a las dendritas que recibe información sensorial y otra que transmite esta información a la médula espinal.

Tipos de neuronas: Las neuronas se dividen ampliamente en cuatro tipos principales según el número y la ubicación de los axones: (1) unipolar, (2) bipolar, (3) multipolar y (4) pseudounipolar.

Los siete tipos de glía tienen funciones específicas que desempeñan un papel en el apoyo a la función neuronal.

Objetivos de aprendizaje

Describir las funciones específicas que desempeñan los siete tipos de glía en el sistema nervioso.

Conclusiones clave

Puntos clave

  • La glía guía a las neuronas en desarrollo a sus destinos, amortigua los iones y productos químicos dañinos y construye las vainas de mielina alrededor de los axones.
  • En el SNC, los astrocitos proporcionan nutrientes a las neuronas, dan soporte estructural a las sinapsis y bloquean la entrada de sustancias tóxicas en la glía satélite del cerebro, que proporcionan nutrientes y soporte estructural a las neuronas del SNP.
  • La microglía limpia y degrada las células muertas, protegiendo al cerebro de los microorganismos invasores.
  • Los oligodendrocitos forman vainas de mielina alrededor de los axones en el SNC. La célula de Schwann forma vainas de mielina alrededor de los axones en el SNP.
  • La glía radial sirve como puentes para el desarrollo de neuronas a medida que migran a sus destinos finales.
  • Las células ependimarias recubren los ventrículos llenos de líquido del cerebro y el canal central de la médula espinal que producen líquido cefalorraquídeo.

Términos clave

  • glia satélite: célula glial que proporciona nutrientes a las neuronas del SNP
  • glía radial: célula glial que sirve como puente para el desarrollo de neuronas a medida que se mueven hacia sus destinos finales
  • astrocito: una célula neuroglial, en forma de estrella, en el cerebro

Si bien la glía (o células gliales) a menudo se considera el elenco de soporte del sistema nervioso, la cantidad de células gliales en el cerebro en realidad supera en número a la cantidad de neuronas en un factor de diez. Las neuronas no podrían funcionar sin las funciones vitales que cumplen estas células gliales. La glía guía a las neuronas en desarrollo a sus destinos, amortigua los iones y sustancias químicas que de otro modo dañarían las neuronas y proporciona vainas de mielina alrededor de los axones. Los científicos han descubierto recientemente que también desempeñan un papel en la respuesta a la actividad nerviosa y en la modulación de la comunicación entre las células nerviosas. Cuando la glía no funciona correctamente, el resultado puede ser desastroso. La mayoría de los tumores cerebrales son causados ​​por mutaciones en la glía.

Tipos de glía

Hay varios tipos diferentes de glía con diferentes funciones. Los astrocitos entran en contacto con los capilares y las neuronas del SNC. Proporcionan nutrientes y otras sustancias a las neuronas, regulan las concentraciones de iones y sustancias químicas en el líquido extracelular y brindan soporte estructural para las sinapsis. Los astrocitos también forman la barrera hematoencefálica: una estructura que bloquea la entrada de sustancias tóxicas al cerebro. Se ha demostrado, a través de experimentos de imágenes de calcio, que se activan en respuesta a la actividad nerviosa, transmiten ondas de calcio entre los astrocitos y modulan la actividad de las sinapsis circundantes. La glía satélite proporciona nutrientes y soporte estructural a las neuronas del SNP. La microglía limpia y degrada las células muertas, protegiendo al cerebro de los microorganismos invasores. Los oligodendrocitos forman vainas de mielina alrededor de los axones en el SNC. Un axón puede ser mielinizado por varios oligodendrocitos, un oligodendrocito puede proporcionar mielina para múltiples neuronas. Esto es distinto del SNP, donde una sola célula de Schwann proporciona mielina para un solo axón, ya que toda la célula de Schwann rodea al axón. La glía radial sirve como puentes para el desarrollo de neuronas a medida que migran a sus destinos finales. Las células ependimarias recubren los ventrículos del cerebro llenos de líquido y el canal central de la médula espinal. Participan en la producción de líquido cefalorraquídeo, que sirve como cojín para el cerebro, mueve el líquido entre la médula espinal y el cerebro y es un componente del plexo coroideo.

Imágenes de células gliales: (a) Los astrocitos y (b) los oligodendrocitos son células gliales del sistema nervioso central.

Células gliales: Las células gliales apoyan a las neuronas y mantienen su entorno. Las células gliales del (a) sistema nervioso central incluyen oligodendrocitos, astrocitos, células ependimarias y células microgliales. Los oligodendrocitos forman la vaina de mielina alrededor de los axones. Los astrocitos proporcionan nutrientes a las neuronas, mantienen su entorno extracelular y brindan soporte estructural. La microglía elimina los patógenos y las células muertas. Las células ependimarias producen líquido cefalorraquídeo que amortigua las neuronas. Las células gliales del (b) sistema nervioso periférico incluyen las células de Schwann, que forman la vaina de mielina, y las células satélite, que proporcionan nutrientes y soporte estructural a las neuronas.


Una ventana al cerebro demuestra la importancia de los astrocitos

¿Alguna vez deseaste poder echar un vistazo dentro del cerebro de alguien y ver lo que estaba pasando allí? En la investigación reportada en este número de Biología PLoS, Hajime Hirase y sus colegas de la Universidad de Rutgers han hecho precisamente eso al enfocar su microscopio en los cerebros de ratas vivas para examinar cómo funcionan in vivo ciertas células llamadas astrocitos. & # x200B vivo.

En la búsqueda de larga data para comprender cómo funciona el cerebro, los científicos se han centrado en las neuronas. Las neuronas conducen potenciales de acción, señales eléctricas que transmiten información en el sistema nervioso. Pero el cerebro también contiene varios otros tipos de células llamadas glía. (Glia se deriva del latín para & # x0201cglue & # x0201d, se pensaba que estas células & # x0201 lo retenían todo junto. & # x0201d) Un tipo de célula glial, el astrocito (llamado así por su forma de estrella), es la célula más poblada del mundo. cerebro y forma una asociación íntima con las neuronas y sus sinapsis. Se pensaba que estas células desempeñaban un papel de apoyo en el cerebro, asegurando el entorno químico adecuado para las sinapsis.

Sin embargo, investigaciones recientes han sugerido que los astrocitos y otras células gliales pueden desempeñar un papel más importante. Al examinar los astrocitos cultivados en el laboratorio, los científicos han observado un comportamiento que sugiere que los astrocitos pueden comunicarse con las neuronas. Aunque los astrocitos no pueden propagar señales eléctricas como lo hacen las neuronas, pueden sentir la transmisión de tales señales en la sinapsis entre dos neuronas. Además, los astrocitos pueden propagar un tipo diferente de señal, una señal química basada en la liberación de iones de calcio. La señalización de calcio es un mecanismo de señalización química que se ha observado en muchos otros tipos de células. Sin embargo, las propiedades exactas de la comunicación entre neuronas y astrocitos no están claras porque diferentes preparaciones de estos tejidos han dado resultados diferentes. Tampoco se ha establecido que este tipo de comunicación se produzca en el cerebro vivo.

Para explorar tales preguntas, Hirase y sus colegas han dado el siguiente paso al investigar las propiedades de señalización de calcio de los astrocitos en los cerebros de ratas vivas. Para lograr esta hazaña, los investigadores utilizaron una combinación de dos tecnologías. Monitorearon la señalización de calcio usando un tinte fluorescente llamado Fluo-4, que emite fluorescencia en respuesta a los iones de calcio. Luego utilizaron un tipo especial de microscopio llamado microscopio de barrido láser de dos fotones para visualizar el tinte. Dado que este tipo de microscopio utiliza un láser de menor energía, puede obtener imágenes del tinte en el tejido vivo sin causar daño.

Los investigadores aplicaron el tinte a los cerebros de ratas anestesiadas, lavaron el exceso de tinte que no había penetrado en las células y luego tomaron imágenes del tejido bajo el microscopio. Primero confirmaron que de hecho estaban examinando astrocitos y notaron que las células mostraban un nivel moderado de actividad de señalización de calcio inicial. Luego usaron un medicamento llamado bicuculline para estimular las neuronas y observaron un aumento significativo en la actividad de señalización de calcio de los astrocitos. Debido a que la bicucullina solo afecta a las neuronas, esto implica que los astrocitos están respondiendo a la actividad de las neuronas. Los investigadores también encontraron que los astrocitos vecinos a menudo también mostraban una actividad coordinada de señalización de calcio, lo que sugiere que la comunicación entre los astrocitos se ve facilitada por el aumento de la actividad neuronal.

Esta investigación confirma la complejidad de las funciones de señalización de los astrocitos en el cerebro vivo y demuestra que los astrocitos desempeñan mucho más que un papel de apoyo en la función cerebral. También establece un importante sistema experimental para los científicos que buscan comprender cómo estos elementos distintos del cerebro, las neuronas y los astrocitos, trabajan juntos. Aunque esta investigación deja en claro que la señalización existe tanto entre los astrocitos como entre las neuronas y los astrocitos, los científicos aún tienen que comprender el efecto de esta señalización. Algunas posibilidades incluyen la regulación de la formación de sinapsis, la modificación de la fuerza sináptica o roles más complicados en el procesamiento de la información que resultan de la coordinación de la actividad neuronal. Las investigaciones futuras que utilicen este y otros sistemas ayudarán a revelar estas funciones.


Uso de astrocitos y moléculas derivadas de astrocitos como dianas terapéuticas

Como resultado, todas las moléculas neuroprotectoras y neurodeletarias descritas, así como sus factores aguas arriba y aguas abajo, representan posibles dianas terapéuticas (Fig. 3 y Tabla 1). Sin embargo, tanto los astrocitos como las moléculas derivadas de astrocitos solo pueden actuar como objetivos para subtipos particulares, regiones de daño específicas y ciertas etapas de TBI. Por tanto, las estrategias terapéuticas deben centrarse en la potenciación de los efectos neuroprotectores y el bloqueo de los efectos neurodeletéreos de los diferentes factores en condiciones específicas.

Dianas terapéuticas potenciales con respecto a las moléculas derivadas de astrocitos después de una LCT. Después de una lesión cerebral traumática, las células dañadas emiten señales de peligro. Y las redes de filamentos intermedios estresados ​​dentro de los astrocitos activan el influjo de iones a través del canal de iones mecanosensible, lo que resulta en una mayor liberación de señales de peligro. Estas señales sirven para activar la neuroglía e inducir una fuerte reacción inmune estéril y otra patogénesis secundaria de TBI. Los astrocitos reactivos secretan una amplia gama de factores que afectan la neurogénesis, la sinaptogénesis y la estabilidad sináptica y la angiogénesis, que pueden representar los objetivos terapéuticos. Modular el microambiente desadaptativo causado por la neuroinflamación, la excitotoxicidad y el estrés oxidativo post-TCE también es una estrategia terapéutica considerable. ANG-1, angiopoyetina-1 CCL, quimiocina (motivo CC) ligando CXCL, quimioquina (motivo CXC) ligando GFAP, proteína ácida fibrilar glial HMGB1, proteína del grupo de alta movilidad B1 HSP, proteínas de choque térmico HSPG, heparán sulfato proteoglicanos IFN, interferón IGFBP -6, proteína de unión al factor de crecimiento similar a la insulina 6 IL, interleucina MMP, metaloproteína de matriz PACAP, péptido activador de adenilato ciclasa hipofisaria SHH, erizo sónico SPARC, proteína secretada ácida y rica en cisteína STAT3, transductor de señal y activador de la transcripción-3 TBI , lesión cerebral traumática TGF-β, factor de crecimiento transformante-β TNF, factor de necrosis tumoral TSP, trombospondina VEGF, factor de crecimiento endotelial vascular

Además de apuntar a moléculas derivadas de astrocitos, estimular la función de los receptores relacionados con los astrocitos también es prometedor para la restauración de la plasticidad neuronal y la reconstrucción. Algunas moléculas derivadas de astrocitos como S1P y ET también actúan como ligandos de receptores astrocíticos, y los fármacos terapéuticos probables se muestran en la Tabla 1. Otros receptores como los receptores tipo Toll [127], receptor purinérgico [227], receptor de glutamato [228], el receptor de hormonas [10, 229] y el receptor de cannabinoides [230] también han atraído una amplia atención. Aunque anteriormente mencionamos que MK-801, uno de los antagonistas del receptor de glutamato, había demostrado mejorar la integridad sináptica y el resultado cognitivo en el estudio experimental, lamentablemente, los ensayos clínicos sobre los antagonistas del receptor de glutamato se han llevado a cabo ampliamente, pero no pudieron proporcionar un beneficio estadísticamente significativo para los pacientes con LCT [231]. Según Ikonomidou et al., el fallo podría atribuirse a la atenuación de la transmisión sináptica, que impide la supervivencia neuronal [228].

La modulación del microambiente desadaptativo posterior a un TCE también es una estrategia terapéutica considerable [140,141,142]. De manera relevante, los agentes para reducir la excitotoxicidad del glutamato mejorando los transportadores de glutamato como la parawexina 1 y ciertos antibióticos β-lactámicos podrían tener un beneficio terapéutico [232, 233]. Otros mediadores terapéuticos potenciales incluyen agentes para la restauración del equilibrio iónico y hídrico al dirigirse a los transportadores de Na + / H +, los cotransportadores de Na + / K + / 2Cl - o los intercambiadores de Na + / Ca2 + como los fármacos fluorenilo [234, 235] y agentes que promueven la supervivencia y función neuronal, como las neurotrofinas recombinantes o los peptidomiméticos [9]. Los agentes que alteran el entorno de la lesión modulando las respuestas inflamatorias, como la minociclina y el etanercept, también se han propuesto como candidatos potenciales para la neuroprotección [144, 171].

Anteriormente hemos revisado el avance del tratamiento con células madre para el TCE, que no ha alcanzado un éxito general en la aplicación clínica [86]. Dadas las funciones vitales de los factores secretados por astrocitos en la neurogénesis y la diferenciación neuronal, una combinación de tratamiento con células madre y funciones astrocíticas puede presentar una nueva estrategia terapéutica. Además, los ARN no codificantes también tienen potencial terapéutico, ya que los astrocitos expresan varios ARN no codificantes, que a su vez controlan las funciones astrocíticas [236, 237, 238]. Y se ha descubierto que la solución salina hipertónica provoca neuroprotección al regular la expresión de ARN no codificantes [239].


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Los astrocitos procesan la información sináptica

Los astrocitos se consideraban clásicamente como simples células de apoyo para las neuronas sin un papel significativo en el procesamiento de la información por parte del sistema nervioso. Sin embargo, una cantidad considerable de evidencia obtenida por varios grupos durante los últimos años demostró la existencia de una comunicación bidireccional entre astrocitos y neuronas, lo que motivó un reexamen del papel de los astrocitos en la fisiología del sistema nervioso. Mientras que las neuronas basan su excitabilidad en señales eléctricas generadas a través de la membrana, los astrocitos basan su excitabilidad celular en variaciones de la concentración de Ca 2+ en el citosol. Este artículo analiza nuestro conocimiento actual de las propiedades de la señal de Ca 2+ del astrocito evocado sinápticamente, que revela que los astrocitos muestran propiedades integradoras para el procesamiento de información sináptica. Los astrocitos responden selectivamente a diferentes vías de axones, discriminan entre la actividad de diferentes sinapsis y su señal de Ca 2+ no se modula linealmente por la actividad simultánea de diferentes entradas sinápticas. Además, esta modulación de la señal de Ca 2+ depende de las propiedades intrínsecas celulares de los astrocitos y está regulada bidireccionalmente por el nivel de actividad sináptica. Finalmente, las elevaciones de Ca 2+ de los astrocitos pueden desencadenar la liberación de gliotransmisores, que modulan la actividad neuronal, así como la transmisión sináptica y la plasticidad, garantizando así la comunicación bidireccional con las neuronas. En consecuencia, los astrocitos pueden considerarse como elementos celulares involucrados en el procesamiento de información por parte del sistema nervioso.


¿Los astrocitos se conectan y se comunican químicamente con otros astrocitos? - biología

La microglía son células inmunes residentes del cerebro, que se derivan de un linaje celular diferente al de todas las demás células del cerebro. Son células muy móviles que patrullan constantemente el parénquima cerebral.

Los astrocitos son el componente celular más grande del cerebro y se desarrollan a partir de un progenitor común junto con las neuronas y los oligodendrocitos. Azulejos todo el cerebro y no migran durante la fisiología normal. Estos dos tipos de células son importantes para el desarrollo normal del cerebro de los mamíferos y responden rápidamente a enfermedades, infecciones y traumas.

La microglía y los astrocitos interactúan a través de factores secretados y dependientes del contacto para modular su función durante la salud normal y la enfermedad. La microglía puede impulsar la reactividad en los astrocitos mediante la liberación de citocinas específicas, mientras que los astrocitos pueden generar disfunción en la microglía al retener el colesterol.

Existen muchas herramientas para manipular tanto la microglía como los astrocitos, sin embargo, la eliminación completa de los astrocitos es actualmente imposible ya que esto resulta en la muerte.

Los experimentos scRNASeq deben tener la potencia adecuada y tener en cuenta los posibles artefactos como resultado del submuestreo al difundir los resultados. Idealmente, los genes expresados ​​diferencialmente específicos del clúster deberían validarse utilizando métodos de visualización (en el lugar hibridación o enfoques transcriptómicos espaciales) y ensayos funcionales.

Caution should be taken in the nomenclature of different ‘activation’ states of both microglia and astrocytes. While no method is perfect, the field needs to clearly state what constitutes a subset of cells: biologically relevant and functionally characterized descriptions will be the most beneficial.

Microglia–astrocyte interactions represent a delicate balance affecting neural cell functions in health and disease. Tightly controlled to maintain homeostasis during physiological conditions, rapid and prolonged departures during disease, infection, and following trauma drive multiple outcomes: both beneficial and detrimental. Recent sequencing studies at the bulk and single-cell level in humans and rodents provide new insight into microglia–astrocyte communication in homeostasis and disease. However, the complex changing ways these two cell types functionally interact has been a barrier to understanding disease initiation, progression, and disease mechanisms. Single cell sequencing is providing new insights however, many questions remain. Here, we discuss how to bridge transcriptional states to specific functions so we can develop therapies to mediate negative effects of altered microglia–astrocyte interactions.


Contenido

Astrocytes are a sub-type of glial cells in the central nervous system. They are also known as astrocytic glial cells. Star-shaped, their many processes envelop synapses made by neurons. In humans, a single astrocyte cell can interact with up to 2 million synapses at a time. [9] Astrocytes are classically identified using histological analysis many of these cells express the intermediate filament glial fibrillary acidic protein (GFAP). [10] Several forms of astrocytes exist in the central nervous system including fibroso (in white matter), protoplasmic (in grey matter), and radial. The fibrous glia are usually located within white matter, have relatively few organelles, and exhibit long unbranched cellular processes. This type often has astrocytic endfoot processes that physically connect the cells to the outside of capillary walls when they are in proximity to them. The protoplasmic glia are the most prevalent and are found in grey matter tissue, possess a larger quantity of organelles, and exhibit short and highly branched tertiary processes. The radial glial cells are disposed in planes perpendicular to the axes of ventricles. One of their processes abuts the pia mater, while the other is deeply buried in gray matter. Radial glia are mostly present during development, playing a role in neuron migration. Müller cells of the retina and Bergmann glia cells of the cerebellar cortex represent an exception, being present still during adulthood. When in proximity to the pia mater, all three forms of astrocytes send out processes to form the pia-glial membrane.

Development Edit

Astrocytes are macroglial cells in the central nervous system. Astrocytes are derived from heterogeneous populations of progenitor cells in the neuroepithelium of the developing central nervous system. There is remarkable similarity between the well known genetic mechanisms that specify the lineage of diverse neuron subtypes and that of macroglial cells. [11] Just as with neuronal cell specification, canonical signaling factors like sonic hedgehog (SHH), fibroblast growth factor (FGFs), WNTs and bone morphogenetic proteins (BMPs), provide positional information to developing macroglial cells through morphogen gradients along the dorsal–ventral, anterior–posterior and medial–lateral axes. The resultant patterning along the neuraxis leads to segmentation of the neuroepithelium into progenitor domains (p0, p1 p2, p3 and pMN) for distinct neuron types in the developing spinal cord. On the basis of several studies it is now believed that this model also applies to macroglial cell specification. Studies carried out by Hochstim and colleagues have demonstrated that three distinct populations of astrocytes arise from the p1, p2 and p3 domains. [12] These subtypes of astrocytes can be identified on the basis of their expression of different transcription factors (PAX6, NKX6.1) and cell surface markers (reelin and SLIT1). The three populations of astrocyte subtypes which have been identified are 1) dorsally located VA1 astrocytes, derived from p1 domain, express PAX6 and reelin 2) ventrally located VA3 astrocytes, derived from p3, express NKX6.1 and SLIT1 and 3) and intermediate white-matter located VA2 astrocyte, derived from the p2 domain, which express PAX6, NKX6.1, reelin and SLIT1. [13] After astrocyte specification has occurred in the developing CNS, it is believed that astrocyte precursors migrate to their final positions within the nervous system before the process of terminal differentiation occurs.

Astrocytes help form the physical structure of the brain, and are thought to play a number of active roles, including the secretion or absorption of neural transmitters and maintenance of the blood–brain barrier. [15] The concept of a tripartite synapse has been proposed, referring to the tight relationship occurring at synapses among a presynaptic element, a postsynaptic element and a glial element. [dieciséis]

  • Estructural: They are involved in the physical structuring of the brain. Astrocytes get their name because they are "star-shaped". They are the most abundant glial cells in the brain that are closely associated with neuronal synapses. They regulate the transmission of electrical impulses within the brain.
  • Glycogen fuel reserve buffer: Astrocytes contain glycogen and are capable of gluconeogenesis. The astrocytes next to neurons in the frontal cortex and hippocampus store and release glucose. Thus, astrocytes can fuel neurons with glucose during periods of high rate of glucose consumption and glucose shortage. A recent research on rats suggests there may be a connection between this activity and physical exercise. [17]
  • Metabolic support: They provide neurons with nutrients such as lactate.
  • Glucose sensing: normally associated with neurons, the detection of interstitial glucose levels within the brain is also controlled by astrocytes. Astrocytes in vitro become activated by low glucose and are en vivo this activation increases gastric emptying to increase digestion. [18]
  • Blood–brain barrier: The astrocyte end-feet encircling endothelial cells were thought to aid in the maintenance of the blood–brain barrier, but recent research indicates that they do not play a substantial role instead, it is the tight junctions and basal lamina of the cerebral endothelial cells that play the most substantial role in maintaining the barrier. [19] However, it has recently been shown that astrocyte activity is linked to blood flow in the brain, and that this is what is actually being measured in fMRI. [20][21]
  • Transmitter uptake and release: Astrocytes express plasma membrane transporters such as glutamate transporters for several neurotransmitters, including glutamate, ATP, and GABA. More recently, astrocytes were shown to release glutamate or ATP in a vesicular, Ca 2+ -dependent manner. [22] (This has been disputed for hippocampal astrocytes.) [23]
  • Regulation of ion concentration in the extracellular space: Astrocytes express potassium channels at a high density. When neurons are active, they release potassium, increasing the local extracellular concentration. Because astrocytes are highly permeable to potassium, they rapidly clear the excess accumulation in the extracellular space. [24] If this function is interfered with, the extracellular concentration of potassium will rise, leading to neuronal depolarization by the Goldman equation. Abnormal accumulation of extracellular potassium is well known to result in epileptic neuronal activity. [25]
  • Modulation of synaptic transmission: In the supraoptic nucleus of the hypothalamus, rapid changes in astrocyte morphology have been shown to affect heterosynaptic transmission between neurons. [26] In the hippocampus, astrocytes suppress synaptic transmission by releasing ATP, which is hydrolyzed by ectonucleotidases to yield adenosine. Adenosine acts on neuronal adenosine receptors to inhibit synaptic transmission, thereby increasing the dynamic range available for LTP. [27]
  • Vasomodulation: Astrocytes may serve as intermediaries in neuronal regulation of blood flow. [28]
  • Promotion of the myelinating activity of oligodendrocytes: Electrical activity in neurons causes them to release ATP, which serves as an important stimulus for myelin to form. However, the ATP does not act directly on oligodendrocytes. Instead, it causes astrocytes to secrete cytokine leukemia inhibitory factor (LIF), a regulatory protein that promotes the myelinating activity of oligodendrocytes. This suggests that astrocytes have an executive-coordinating role in the brain. [29]
  • Nervous system repair: Upon injury to nerve cells within the central nervous system, astrocytes fill up the space to form a glial scar, and may contribute to neural repair. The role of astrocytes in CNS regeneration following injury is not well understood though. The glial scar has traditionally been described as an impermeable barrier to regeneration, thus implicating a negative role in axon regeneration. However, recently, it was found through genetic ablation studies that astrocytes are actually required for regeneration to occur. [30] More importantly, the authors found that the astrocyte scar is actually essential for stimulated axons (that axons that have been coaxed to grow via neurotrophic supplementation) to extend through the injured spinal cord. [30] Astrocytes that have been pushed into a reactive phenotype (termed astrogliosis, defined by upregulation of GFAP expression, a definition still under debate) may actually be toxic to neurons, releasing signals that can kill neurons. [31] Much work, however, remains to elucidate their role in nervous system injury.
  • Long-term potentiation: Scientists debate whether astrocytes integrate learning and memory in the hippocampus. Recently it has been shown that engrafting human glial progenitor cell in the nascent mice brains will cause the cells to differentiate into astrocytes. After differentiation these cells increase LTP and improve memory performance in the mice. [32]
  • Circadian clock: Astrocytes alone are sufficient to drive the molecular oscillations in the SCN and circadian behavior in mice, and thus can autonomously initiate and sustain complex mammalian behavior. [33]
  • The switch of the nervous system: Based on the evidence listed below, it has been recently conjectured in, [34] that macro glia (and astrocytes in particular) act both as a lossy neurotransmitter capacitor and as the logical switch of the nervous system. I.e., macroglia either block or enable the propagation of the stimulus along the nervous system, depending on their membrane state and the level of the stimulus.
Evidence supporting the switch and lossy capacitor role of glia as suggested in [34] [35]
Evidence type Descripción Referencias
Calcium evidence Calcium waves appear only if a certain concentration of neurotransmitter is exceeded [36] [37] [38]
Electrophysiological evidence A negative wave appears when the stimulus level crosses a certain threshold. The shape of the electrophysiological response is different and has the opposite polarity compared to the characteristic neural response, suggesting that cells other than neurons might be involved. [39] [40]

Astrocytes are linked by gap junctions, creating an electrically coupled (functional) syncytium. [44] Because of this ability of astrocytes to communicate with their neighbors, changes in the activity of one astrocyte can have repercussions on the activities of others that are quite distant from the original astrocyte.

An influx of Ca 2+ ions into astrocytes is the essential change that ultimately generates calcium waves. Because this influx is directly caused by an increase in blood flow to the brain, calcium waves are said to be a kind of hemodynamic response function. An increase in intracellular calcium concentration can propagate outwards through this functional syncytium. Mechanisms of calcium wave propagation include diffusion of calcium ions and IP3 through gap junctions and extracellular ATP signalling. [45] Calcium elevations are the primary known axis of activation in astrocytes, and are necessary and sufficient for some types of astrocytic glutamate release. [46] Given the importance of calcium signaling in astrocytes, tight regulatory mechanisms for the progression of the spatio-temporal calcium signaling have been developed. Via mathematical analysis it has been shown that localized inflow of Ca 2+ ions yields a localized raise in the cytosolic concentration of Ca 2+ ions. [47] Moreover, cytosolic Ca 2+ accumulation is independent of every intracellular calcium flux and depends on the Ca 2+ exchange across the membrane, cytosolic calcium diffusion, geometry of the cell, extracellular calcium perturbation, and initial concentrations. [47]

Tripartite synapse Edit

Within the dorsal horn of the spinal cord, activated astrocytes have the ability to respond to almost all neurotransmitters [48] and, upon activation, release a multitude of neuroactive molecules such as glutamate, ATP, nitric oxide (NO), and prostaglandins (PG), which in turn influences neuronal excitability. The close association between astrocytes and presynaptic and postsynaptic terminals as well as their ability to integrate synaptic activity and release neuromodulators has been termed the tripartite synapse. [16] Synaptic modulation by astrocytes takes place because of this three-part association.

Astrocytomas Edit

Astrocytomas are primary intracranial tumors that develop from astrocytes. It is also possible that glial progenitors or neural stem cells can give rise to astrocytomas. These tumors may occur in many parts of the brain and/or spinal cord. Astrocytomas are divided into two categories: low grade (I and II) and high grade (III and IV). Low grade tumors are more common in children, and high grade tumors are more common in adults. Malignant astrocytomas are more prevalent among men, contributing to worse survival. [49]

Pilocytic astrocytomas are grade I tumors. They are considered benign and slow growing tumors. Pilocytic astrocytomas frequently have cystic portions filled with fluid and a nodule, which is the solid portion. Most are located in the cerebellum. Therefore, most symptoms are related to balance or coordination difficulties. [49] They also occur more frequently in children and teens. [50]

Fibrillary astrocytomas are grade II tumors. They grow relatively slowly so are usually considered benign, but they infiltrate the surrounding healthy tissue and can become malignant. Fibrillary astrocytomas commonly occur in younger people, who often present with seizures. [50]

Anaplastic astrocytomas are grade III malignant tumors. They grow more rapidly than lower grade tumors. Anaplastic astrocytomas recur more frequently than lower grade tumors because their tendency to spread into surrounding tissue makes them difficult to completely remove surgically. [49]

Glioblastoma multiforme is a grade IV cancer that may originate from astrocytes or an existing astrocytoma. Approximately 50% of all brain tumors are glioblastomas. Glioblastomas can contain multiple glial cell types, including astrocytes and oligodendrocytes. Glioblastomas are generally considered to be the most invasive type of glial tumor, as they grow rapidly and spread to nearby tissue. Treatment may be complicated, because one tumor cell type may die off in response to a particular treatment while the other cell types may continue to multiply. [49]

Neurodevelopmental disorders Edit

Astrocytes have emerged as important participants in various neurodevelopmental disorders. This view states that astrocyte dysfunction may result in improper neural circuitry, which underlies certain psychiatric disorders such as autism spectrum disorders and schizophrenia. [51] [6]

Chronic pain Edit

Under normal conditions, pain conduction begins with some noxious signal followed by an action potential carried by nociceptive (pain sensing) afferent neurons, which elicit excitatory postsynaptic potentials (EPSP) in the dorsal horn of the spinal cord. That message is then relayed to the cerebral cortex, where we translate those EPSPs into "pain." Since the discovery of astrocyte-neuron signaling, our understanding of the conduction of pain has been dramatically complicated. Pain processing is no longer seen as a repetitive relay of signals from body to brain, but as a complex system that can be up- and down-regulated by a number of different factors. One factor at the forefront of recent research is in the pain-potentiating synapse located in the dorsal horn of the spinal cord and the role of astrocytes in encapsulating these synapses. Garrison and co-workers [52] were the first to suggest association when they found a correlation between astrocyte hypertrophy in the dorsal horn of the spinal cord and hypersensitivity to pain after peripheral nerve injury, typically considered an indicator of glial activation after injury. Astrocytes detect neuronal activity and can release chemical transmitters, which in turn control synaptic activity. [48] [53] [54] In the past, hyperalgesia was thought to be modulated by the release of substance P and excitatory amino acids (EAA), such as glutamate, from the presynaptic afferent nerve terminals in the spinal cord dorsal horn. Subsequent activation of AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid), NMDA (N-methyl-D-aspartate) and kainate subtypes of ionotropic glutamate receptors follows. It is the activation of these receptors that potentiates the pain signal up the spinal cord. This idea, although true, is an oversimplification of pain transduction. A litany of other neurotransmitter and neuromodulators, such as calcitonin gene-related peptide (CGRP), adenosine triphosphate (ATP), brain-derived neurotrophic factor (BDNF), somatostatin, vasoactive intestinal peptide (VIP), galanin, and vasopressin are all synthesized and released in response to noxious stimuli. In addition to each of these regulatory factors, several other interactions between pain-transmitting neurons and other neurons in the dorsal horn have added impact on pain pathways.

Two states of persistent pain Edit

After persistent peripheral tissue damage there is a release of several factors from the injured tissue as well as in the spinal dorsal horn. These factors increase the responsiveness of the dorsal horn pain-projection neurons to ensuing stimuli, termed "spinal sensitization," thus amplifying the pain impulse to the brain. Release of glutamate, substance P, and calcitonin gene-related peptide (CGRP) mediates NMDAR activation (originally silent because it is plugged by Mg2+), thus aiding in depolarization of the postsynaptic pain-transmitting neurons (PTN). In addition, activation of IP3 signaling and MAPKs (mitogen-activated protein kinases) such as ERK and JNK, bring about an increase in the synthesis of inflammatory factors that alter glutamate transporter function. ERK also further activates AMPARs and NMDARs in neurons. Nociception is further sensitized by the association of ATP and substance P with their respective receptors (P2X3) and neurokinin 1 receptor (NK1R), as well as activation of metabotropic glutamate receptors and release of BDNF. Persistent presence of glutamate in the synapse eventually results in dysregulation of GLT1 and GLAST, crucial transporters of glutamate into astrocytes. Ongoing excitation can also induce ERK and JNK activation, resulting in release of several inflammatory factors.

As noxious pain is sustained, spinal sensitization creates transcriptional changes in the neurons of the dorsal horn that lead to altered function for extended periods. Mobilization of Ca 2+ from internal stores results from persistent synaptic activity and leads to the release of glutamate, ATP, tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin 1β (IL-1β), IL-6, nitric oxide (NO), and prostaglandin E2 (PGE2). Activated astrocytes are also a source of matrix metalloproteinase 2 (MMP2), which induces pro-IL-1β cleavage and sustains astrocyte activation. In this chronic signaling pathway, p38 is activated as a result of IL-1β signaling, and there is a presence of chemokines that trigger their receptors to become active. In response to nerve damage, heat shock proteins (HSP) are released and can bind to their respective TLRs, leading to further activation.

Other pathologies Edit

Other clinically significant pathologies involving astrocytes include astrogliosis and astrocytopathy. Examples of these include multiple sclerosis, anti-AQP4+ neuromyelitis optica, Rasmussen's encephalitis, Alexander disease, and amyotrophic lateral sclerosis. [55] Studies have shown that astrocytes may be implied in neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease, [56] [57] Parkinson's disease, [58] Huntington's disease, Stuttering [59] and amyotrophic lateral sclerosis, [60] and in acute brain injuries, such as intracerebral hemorrhage [61] and traumatic brain injury. [62]

A study performed in November 2010 and published March 2011, was done by a team of scientists from the University of Rochester and University of Colorado School of Medicine. They did an experiment to attempt to repair trauma to the Central Nervous System of an adult rat by replacing the glial cells. When the glial cells were injected into the injury of the adult rat's spinal cord, astrocytes were generated by exposing human glial precursor cells to bone morphogenetic protein (bone morphogenetic protein is important because it is considered to create tissue architecture throughout the body). So, with the bone protein and human glial cells combined, they promoted significant recovery of conscious foot placement, axonal growth, and obvious increases in neuronal survival in the spinal cord laminae. On the other hand, human glial precursor cells and astrocytes generated from these cells by being in contact with ciliary neurotrophic factors, failed to promote neuronal survival and support of axonal growth at the spot of the injury. [63]

One study done in Shanghai had two types of hippocampal neuronal cultures: In one culture, the neuron was grown from a layer of astrocytes and the other culture was not in contact with any astrocytes, but they were instead fed a glial conditioned medium (GCM), which inhibits the rapid growth of cultured astrocytes in the brains of rats in most cases. In their results they were able to see that astrocytes had a direct role in Long-term potentiation with the mixed culture (which is the culture that was grown from a layer of astrocytes) but not in GCM cultures. [64]

Studies have shown that astrocytes play an important function in the regulation of neural stem cells. Research from the Schepens Eye Research Institute at Harvard shows the human brain to abound in neural stem cells, which are kept in a dormant state by chemical signals (ephrin-A2 and ephrin-A3) from the astrocytes. The astrocytes are able to activate the stem cells to transform into working neurons by dampening the release of ephrin-A2 and ephrin-A3. [sesenta y cinco]

In a study published in a 2011 issue of Biotecnología de la naturaleza [66] a group of researchers from the University of Wisconsin reports that it has been able to direct embryonic and induced human stem cells to become astrocytes.

A 2012 study [67] of the effects of marijuana on short-term memories found that THC activates CB1 receptors of astrocytes which cause receptors for AMPA to be removed from the membranes of associated neurons.

There are several different ways to classify astrocytes.

Lineage and antigenic phenotype Edit

These have been established by classic work by Raff et al. in early 1980s on Rat optic nerves.


Ver el vídeo: Ben Barres Stanford 1: Qué hacen los astrocitos reactivos? (Diciembre 2022).