Ahora, en un estudio publicado esta semana en el Journal of Neuroscience, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y la Universidad de Nagoya han revelado cómo un anestésico general de uso común llamado isoflurano debilita la transmisión de señales eléctricas entre neuronas, en uniones llamadas sinapsis.
«De manera importante, encontramos que el isoflurano no bloqueaba la transmisión de todas las señales eléctricas por igual; el anestésico tenía el efecto más fuerte en los impulsos de mayor frecuencia que se requieren para funciones como la cognición o el movimiento, mientras que tenía un efecto mínimo en los impulsos de baja frecuencia que controlan las funciones de soporte vital, como la respiración», dijo el profesor Tomoyuki Takahashi, quien dirige la Unidad de Función Sináptica Celular y Molecular (CMSF) de la OIST. «Esto explica cómo el isoflurano es capaz de causar anestesia, al bloquear preferentemente las señales de alta frecuencia.»
En las sinapsis, las señales son enviadas por las neuronas presinápticas y recibidas por las neuronas postsinápticas. En la mayoría de las sinapsis, la comunicación se produce a través de mensajeros químicos neu o neurotransmisores.
Cuando un impulso nervioso eléctrico, o potencial de acción, llega al final de la neurona presináptica, esto hace que las vesículas sinápticas, pequeños «paquetes» de membrana que contienen neurotransmisores, se fusionen con la membrana terminal, liberando los neurotransmisores en el espacio entre las neuronas. Cuando la neurona postsináptica detecta suficientes neurotransmisores, esto desencadena un nuevo potencial de acción en la neurona postsináptica.
La unidad de CMSF utilizó cortes de cerebro de rata para estudiar una sinapsis gigante llamada cáliz de Held. Los científicos indujeron señales eléctricas a diferentes frecuencias y luego detectaron los potenciales de acción generados en la neurona postsináptica. Descubrieron que, a medida que aumentaban la frecuencia de las señales eléctricas, el isoflurano tenía un efecto más fuerte en el bloqueo de la transmisión.
Para corroborar los hallazgos de su unidad, Takahashi contactó con el Dr. Takayuki Yamashita, un investigador de la Universidad de Nagoya que realizó experimentos con sinapsis, llamadas sinapsis corticorticales, en el cerebro de ratones vivos.
Yamashita encontró que el anestésico afectaba a las sinapsis corticorticales de manera similar al cáliz de Held. Cuando los ratones fueron anestesiados con isoflurano, la transmisión de alta frecuencia se redujo considerablemente, mientras que hubo menos efecto en la transmisión de baja frecuencia.
«Estos experimentos confirmaron cómo el isoflurano actúa como anestésico general», dijo Takahashi. «Pero queríamos entender los mecanismos subyacentes a los que se dirige el isoflurano para debilitar las sinapsis de esta manera dependiente de la frecuencia.»
Rastreando los objetivos
Con más investigación, los investigadores encontraron que el isoflurano redujo la cantidad de neurotransmisores liberados, al reducir la probabilidad de que las vesículas se liberen y al reducir el número máximo de vesículas que se pueden liberar a la vez.
Por lo tanto, los científicos examinaron si el isoflurano afectaba a los canales iónicos de calcio, que son clave en el proceso de liberación de vesículas. Cuando los potenciales de acción llegan al terminal presináptico, los canales de iones de calcio en la membrana se abren, permitiendo que los iones de calcio se inunden. Las vesículas sinápticas detectan este aumento de calcio y se fusionan con la membrana. Los investigadores encontraron que el isoflurano redujo el flujo de calcio al bloquear los canales iónicos de calcio, lo que a su vez redujo la probabilidad de liberación de vesículas.
«Sin embargo, este mecanismo por sí solo no pudo explicar cómo el isoflurano reduce el número de vesículas liberables, o la naturaleza dependiente de la frecuencia del efecto del isoflurano», dijo Takahashi.
Los científicos plantearon la hipótesis de que el isoflurano podría reducir el número de vesículas liberables, ya sea bloqueando directamente el proceso de liberación de vesículas por exocitosis, o bloqueando indirectamente el reciclaje de vesículas, donde las vesículas se reforman por endocitosis y luego se rellenan con neurotransmisores, listos para ser liberados de nuevo.
Al medir eléctricamente los cambios en el área de superficie de la membrana terminal presináptica, que aumenta por exocitosis y disminuye por endocitosis, los científicos concluyeron que el isoflurano solo afecta la liberación de vesículas por exocitosis, probablemente al bloquear la maquinaria exocítica.
«De manera crucial, descubrimos que este bloqueo solo tenía un efecto importante en las señales de alta frecuencia, lo que sugiere que este bloqueo en la maquinaria exocítica es la clave del efecto anestésico del isoflurano», dijo Takahashi.
Los científicos propusieron que los potenciales de acción de alta frecuencia desencadenan una afluencia masiva de calcio en la terminal presináptica que el isoflurano no puede reducir efectivamente la concentración de calcio. Por lo tanto, la resistencia sináptica se debilita predominantemente por el bloqueo directo de la maquinaria exocítica en lugar de una probabilidad reducida de liberación de vesículas.
Mientras tanto, los impulsos de baja frecuencia desencadenan menos exocitosis, por lo que el bloqueo del isoflurano en la maquinaria exocítica tiene poco efecto. Aunque el isoflurano reduce efectivamente la entrada de calcio en el terminal presináptico, reducir la probabilidad de liberación de vesículas, por sí solo, no es lo suficientemente potente como para bloquear los potenciales de acción postsinápticos en el cáliz de Held y solo tiene un efecto menor en las sinapsis corticorticales. Por lo tanto, se mantiene la transmisión de baja frecuencia.
En general, la serie de experimentos proporciona evidencia convincente de cómo el isoflurano debilita las sinapsis para inducir la anestesia.
» Ahora que hemos establecido técnicas de manipulación y descifrado de mecanismos presinápticos, estamos listos para aplicar estas técnicas a preguntas más difíciles, como los mecanismos presinápticos subyacentes a los síntomas de las enfermedades neurodegenerativas», dijo Takahashi. «Ese será nuestro próximo desafío.»