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# Biología# Neurociencia

Astrocitos: Los Héroes Olvidados del Cerebro

Los astrocitos juegan roles vitales en la salud del cerebro y la comunicación entre neuronas.

― 6 minilectura


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Imagina tu cerebro como una ciudad ocupada. Las Neuronas son como los coches moviéndose a toda velocidad, entregando mensajes a la velocidad de la luz. Pero, ¿qué pasa con los ayudantes que mantienen esta ciudad funcionando sin problemas? Ahí entran los Astrocitos, los héroes anónimos del cerebro que se aseguran de que todo esté en orden, como los semáforos y los trabajadores de la carretera que garantizan que todo fluya sin inconvenientes.

¿Qué Son los Astrocitos?

Los astrocitos son un tipo de célula del cerebro, parte de una familia más grande llamada células gliales. Mientras que las neuronas suelen llevarse toda la atención, los astrocitos tienen un montón de roles importantes que ayudan a mantener la salud del cerebro. Ayudan con la Comunicación entre neuronas, las apoyan físicamente y nutricionalmente, y protegen la barrera hematoencefálica, que actúa como una puerta de seguridad para tu cerebro.

El Mundo Complejo de los Astrocitos

Los astrocitos no son solo bultos aleatorios de células; están organizados en áreas específicas del cerebro. Imagina un vecindario donde cada bloque está cuidadosamente gestionado. Cada área astrocítica puede cubrir miles a millones de conexiones con neuronas. Tienen muchas extensiones diminutas, como dedos que alcanzan para agarrar neuronas, asegurándose de que la comunicación se realice sin problemas.

Cuando las neuronas envían señales, los astrocitos responden de la misma manera. Pueden detectar químicos liberados por las neuronas y elevar sus propios niveles internos de ciertas sustancias. Esta respuesta puede llevar a la liberación de aún más moléculas de señalización de vuelta a las neuronas. Es como un juego de atrapar que mantiene viva la comunicación.

La Ciencia de la Comunicación

Cuando una neurona se activa, libera químicos, como el glutamato. Los astrocitos son rápidos para responder a estas señales movilizando sus propios sistemas internos. Cuando esto sucede, los niveles de calcio dentro de los astrocitos aumentan, lo que a su vez puede llevar a la liberación de sustancias que afectan a las neuronas cercanas. Es como un efecto dominó en un estanque, donde una acción desencadena una reacción en cadena.

Esta señalización puede aumentar la emoción de las neuronas cercanas, haciéndolas más propensas a activarse. Investigaciones han demostrado que cuando los astrocitos liberan ciertos químicos, puede influir en cómo se comportan las neuronas, llevando potencialmente a ráfagas de actividad.

Modelando los Astrocitos

Para entender mejor cómo operan estas células inteligentes, los científicos han desarrollado modelos computacionales que imitan las interacciones entre neuronas y astrocitos. Así como un videojuego que simula la vida en la ciudad, estos modelos ayudan a los investigadores a explorar cómo trabajan juntos una red de neuronas y astrocitos.

Sin embargo, muchos modelos tenían limitaciones, generalmente enfocándose en grupos pequeños de células. Imagina intentar simular toda una ciudad solo mirando un vecindario. Ahí es donde entran los nuevos desarrollos. Los investigadores están creando modelos que pueden incluir redes más grandes y complejas de neuronas y astrocitos.

La Tecnología Detrás de los Modelos

Herramientas como NEST, un simulador de acceso abierto, permiten a los investigadores modelar con precisión la interacción entre neuronas y astrocitos. NEST puede simular cómo se comportan estas redes a lo largo del tiempo, permitiendo a los científicos probar hipótesis sobre cómo funcionan funciones cerebrales como la memoria y el aprendizaje. Al ejecutar muchos escenarios de "qué pasaría si", pueden obtener ideas sobre cómo opera el cerebro en diferentes condiciones.

Aplicaciones en el Mundo Real

¿Por qué deberíamos preocuparnos por los astrocitos y sus interacciones? Bueno, entender estas células puede ayudarnos a descifrar cómo funciona el cerebro y qué sucede cuando algo sale mal. Por ejemplo, las interacciones entre neuronas y astrocitos podrían desempeñar un papel en condiciones como la epilepsia o el accidente cerebrovascular, donde la comunicación en el cerebro se interrumpe.

La Búsqueda de la Sincronía

Una área de investigación intrigante involucra cómo los astrocitos pueden ayudar a las neuronas a Sincronizar sus actividades. Piénsalo como un concierto donde los músicos mantienen el ritmo juntos. Cuando los astrocitos liberan sus señales, pueden ayudar a sincronizar ráfagas de actividad en neuronas cercanas, lo que es esencial para procesos como el aprendizaje y la memoria.

Experimentos en Acción

Los científicos realizan experimentos para simular condiciones en el cerebro y observar cómo responden los astrocitos. Pueden manipular cortes de cerebro en laboratorios y ver los cambios en tiempo real, tratando de replicar las condiciones que llevan a la coordinación entre neuronas.

Al mejorar su comprensión de cómo los astrocitos contribuyen a la sincronía, los investigadores esperan abrir puertas a nuevos tratamientos para trastornos cerebrales. Imagina poder equilibrar el flujo de tráfico de la ciudad de manera más eficiente para prevenir accidentes. Ese es el tipo de potencial que ofrece la investigación sobre los astrocitos.

La Gran Imagen

A medida que se hacen más descubrimientos sobre los astrocitos y su papel en el cerebro, se hace evidente que están lejos de ser solo actores de fondo. Son componentes clave que contribuyen a la función general del cerebro. Cuanto más sabemos sobre ellos, mejor preparados estaremos para abordar problemas de salud cerebral.

Conclusión

Los astrocitos pueden no llevar capas, pero en el mundo de la neurociencia, definitivamente son los superhéroes que no sabíamos que necesitábamos. Mantienen la armonía dentro de la bulliciosa ciudad de la actividad neural y ofrecen un camino prometedor hacia la comprensión y tratamiento de trastornos cerebrales. Así que, la próxima vez que pienses en el cerebro, recuerda darle un guiño a los astrocitos: los ayudantes a menudo pasados por alto, pero increíblemente importantes, que mantienen nuestra mente en marcha.

Fuente original

Título: Modeling neuron-astrocyte interactions in neural networks using distributed simulation

Resumen: Astrocytes engage in local interactions with neurons, synapses, other glial cell types, and the vasculature through intricate cellular and molecular processes, playing an important role in brain information processing, plasticity, cognition, and behavior. This study aims to enhance computational modeling of local interactions between neurons and astrocytes to better understand how these interactions influence the activity regimes in neuron-astrocyte networks and overall brain function. We develop new algorithms for representing astrocytes and neuron-astrocyte interactions in distributed simulation code for large-scale spiking neuronal networks. These include an astrocyte model with calcium dynamics, an extension of a standard neuron model to receive calcium-dependent signals from astrocytes, connections that deliver these signals to neurons, and a connectivity concept that efficiently establishes interactions between groups of three elements (pre- and postsynaptic neurons and astrocytes) in large neuron-astrocyte populations. The latter extends the conventional concept of binary connectivity in neuronal circuits. We verify the efficiency of our reference implementation through a series of benchmarks that vary in computing resources and neuron-astrocyte network model sizes. Using the new technology, we reproduce experimental data on astrocytic effects on neuronal synchronization. Our in silico experiments demonstrate that astrocytes consistently induce local synchronization in groups of neurons across various connectivity schemes and global activity regimes. Changing only the efficiency of neuron-astrocyte interactions switches the global activity regime from asynchronous to network-wide synchronization. Our contribution supports reproducible and collaborative large-scale modeling projects of neuron-astrocyte circuits, addressing the growing interest in developing these models within the computational neuroscience community. Author summaryAstrocytes play an important role in regulating synapses, neuronal networks, and cognitive functions. However, models that include both neurons and astrocytes are underutilized compared to models with only neurons in theoretical and computational studies. We address this issue by developing concepts for the representation of astrocytic interaction and providing a reference implementation in the distributed spiking network simulation code NEST. Using these capabilities, we show how astrocytes help to synchronize neural networks under various connection patterns and activity levels. The new technology makes it easier to include astrocytes in simulations of neural systems, promoting the construction of more realistic, relevant and reproducible models. Data Availability StatementThe implemented astrocyte support is described in the user-level documentation of the NEST simulation code [1]. Benchmark code and the code for developing and simulating the in silico model are available at https://zenodo.org/doi/10.5281/zenodo.13757203. The supporting information (S1 Appendix, S2 Appendix, and S3 Appendix) describe new variables and parameters of the NEST code, the specification of the network models used in this study, and the criteria for the choices of parameter values. FundingThis research has received funding from the European Unions Horizon 2020 Framework Programme for Research and Innovation under Specific Grant Agreement No. 945539 (Human Brain Project SGA3) to SJvA and M-LL, from its Partnering Project (AstroNeuronNets) to JA and SJvA, from the European Unions Horizon Europe Programme under the Specific Grant Agreement No. 101147319 (EBRAINS 2.0 Project) to SJvA and M-LL, from HiRSE PS, the Helmholtz Platform for Research Software Engineering - Preparatory Study, an innovation pool project of the Helmholtz Association, to SJvA, from Research Council of Finland, decision Nos. 326494, 326495, 345280, and 355256, to TM, and 297893 and 318879 to M-LL, and from The Kate Hamburger Kolleg: Cultures of Research (c:o/re) which is funded by the Federal Ministry of Education and Research under the funding code 01UK2104 to HEP. Open access publication funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) - 491111487. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript. Competing interestsThe authors have declared that no competing interests exist.

Autores: Han-Jia Jiang, Jugoslava Aćimović, Tiina Manninen, Iiro Ahokainen, Jonas Stapmanns, Mikko Lehtimäki, Markus Diesmann, Sacha J. van Albada, Hans Ekkehard Plesser, Marja-Leena Linne

Última actualización: 2024-11-12 00:00:00

Idioma: English

Fuente URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.11.11.622953

Fuente PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.11.11.622953.full.pdf

Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Cambios: Este resumen se ha elaborado con la ayuda de AI y puede contener imprecisiones. Para obtener información precisa, consulte los documentos originales enlazados aquí.

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