Context
En la mesura que les neurones generen, reben, integren, condueixen i transmeten senyals (com qualsevol òrgan o construcció polineuronal del sistema nerviós), poden ser considerades com a un sistema nerviós en miniatura. Naturalment, les neurones individuals no reflexionen ni pensen, però poden guardar memòria de la seva activitat elèctrica, associar-la amb la d’altres neurones i relacionar-la amb temps real amb les noves i permanents entrades d’informació. Són els elements imprescindibles per la formació de la ment.
Conceptes i nomenclatura bàsica
La posada en comú de conceptes d’integració i plasticitat neuronal suggereix algunes interpretacions de funcionament. Aquí mirarem de fer una simulació senzilla i comentarem alguns conceptes bàsics. Una neurona individual és una Unitat d’integració i adaptació (UIA) plàstica amb un espai i temps propis.
L’Espai d’integració (EI) és tot el volum dendrític i somàtic, amb un Punt d’integració (PI) virtual en el con d’origen de l’axó o fibra nerviosa.
La Distància d’integració (DI) és la que ha de recórrer un senyal des de la sinapsi individual o lloc d’entrada (canals extrasinàptics) fins al punt d’integració final.
El Temps d’integració (TI) és el temps emprat en aquest recorregut.
Per a tenir un primer significat, els senyals postsinàptics o una part d’ells, han d’arribar al punt d’integració PI en un temps determinat. Un segon significat dels senyals és la possible millora de l’eficàcia sinàptica que poden induir en la sinapsi que els origina, encara que no contribueixin al PI del con axonal en un moment donat.
Els senyals externs, i els interns també, inclús venint del mateix origen i, fins i tot, de col·laterals de la mateixa neurona o cèl·lula neurosensorial, poden arribar en temps lleugerament diferents a la neurona receptora. Això és degut a un diàmetre i resistència elèctrica diferent de les prolongacions neuronals i a la distància recorreguda per les col·laterals.
El temps d’exposició dels senyals en l’EI per a poder ser integrats amb altres i per aportar finalment certa presència en el PI, també depèn de la posició de la sinapsi o lloc d’entrada en l’extensa superfície receptora neuronal, sigui a prop o bé lluny del PI.
En l’exemple que segueix, per il·lustrar l’actuació conjunta de les funcions d’integració i plasticitat neuronal (com a puntal essencial de les capacitats d’associació i aprenentatge cel·lular) acceptarem les següents premisses:
1 El con d’origen de l’axó és virtualment el punt d’integració PI a partir del qual s’originen els potencials d’acció en la fibra nerviosa.
2 Existeix una diferenciació operativa entre superfícies (membranes) receptores (i espais d’integració EI) neuronals proximals (P) i distals (D) respecte al PI.
3 Utilitzarem el concepte Força d’integració (FI) d’una sinapsi com a valor numèric simple per descriure la seva aportació de càrregues al PI. En la conducció passiva pel neuroplasma hi ha una pèrdua d’intensitat de corrent amb la distància. Direm que el valor FI d’una sinapsi en posició proximal serà dos (P2) i en posició distal u (D1).
4 Considerarem sinapsis excitadores (EX, despolaritzants, amb FI positiu) i inhibidores (IN, hiperpolaritzants, amb FI negatiu) amb el mateix criteri de FI.
Un exemple dels punts 3 i 4, pot ser la ramificació terminal d’una neurona convergent sobre la superfície receptora d’una segona neurona amb la notació següent:
EXa (Glu): 1P2 + 2D1/FI 4
La notació descriu la ramificació terminal d’una neurona (a) amb el neurotransmissor excitador glutamat i que fa una sinapsi en la regió proximal somàtica de la neurona receptora i dues sinapsis en la regió distal, dendrítica. En la simplificació, la força d’integració final és 4.
5 Considerarem que totes les sinapsis originades en una neurona i convergents en una segona neurona s’activen simultàniament, encara que amb molt petita diferència de temps (com hem comentat abans) segons la longitud de la col·lateral que origina cada botó presinàptic.
6 Utilitzarem el concepte de Factor de potenciació (FP) d’una sinapsi com el valor numèric simple per descriure la millora de la seva eficàcia sinàptica amb la utilització o activitat. Una mesura de la magnitud del potencial postsinàptic produït (intensitat del corrent injectat) amb capacitat de ser integrat amb el d’altres neurones. No farem distinció completa entre una millora de la secreció de neurotransmissor (contingut quàntic) i una optimització i millora de la bateria de receptors postsinàptics. L’aplicació raonada de l’FP en una sinapsi, li sumarà 0.5 al seu FI.
7 També tindrem en compte un paràmetre que descrigui de forma simple la freqüència d’activació alta o baixa d’algunes sinapsis en Hertzs (Hz i Hz/n).
Simulació
Considerem una neurona que rebi el següent complement de sinapsis:
EXa (Glu, blava): 1P2 + 2D1/FI 4
EXb (Glu, taronja): 2P2 + 1D1/FI 5
EXc (Ser, gris): 1P2 + 1D1/FI 3
EXd (ACh, verda): 1P2 + 1D1/FI 3
INa (GABA, groga): 1P2/FI -2
INb (GABA, roig): 1D1/FI -1
En condicions normals de funcionament, la sinapsi colinèrgica (EXd) pot adaptar-se plàsticament amb els mecanismes (de curta i llarga durada) clàssics de facilitació, potenciació, depressió i regulació autocrina i paracrina. Un funcionament similar pot esperar-se de les sinapsis serotoninèrgiques (EXc) encara que en aquesta simulació simple no tindrem en compte aquesta característica ni en EXd ni en EXc.
Les sinapsis glutamatèrgiques (EXa i EXb) poden millorar individualment (potenciació homosinàptica) i també associar la seva activitat amb altres sinapsis similars o diferents (potenciació heterosinàptica) amb els mecanismes de potenciació i depressió de llarga durada que els són específics.
Considerarem el llindar en el punt d’integració és 12 (necessita una FI total de 12).
El quadre d’Excel següent recull l’actuació de les sinapsis en 5 moments diferents no consecutius:
En el moment núm. 1, totes les sinapsis (excitadores i inhibidores) funcionant en un temps d’integració (TI) puntual i simultani donen el resultat d’una força d’integració (FI) que arriba al llindar que hem simulat (12) i permet que en el PI (l’inici axonal) es generi un potencial d’acció.
En els TI núm. 2 i 3, amb diferents coincidències d’activitat sinàptica no s’arriba al llindar.
En el TI núm. 4 contràriament, l’activació intensa i, en aquest cas, continuada (Hz) d’una arborització sinàptica glutamatèrgica (taronja) permet la seva pròpia LTP homosinàptica tant en la terminació distal com en les dues sinapsis proximals amb un 0.5 addicional cadascuna. La coincidència de l’activació poc freqüent (Hz/n) de l’arborització sinàptica glutamatèrgica blava, també permet la seva potenciació deguda en part (moderadament per la seva baixa freqüència) al seu propi mecanisme homosinàptic, però, sobretot, per coincidir la seva activitat (la seva neurotransmissió) amb la de les potents sinapsis taronja, que amb la despolarització intensa i perllongada que provoquen permeten l’actuació dels receptors NMDA dels botons sinàptics blaus (LTP heterosinàptica). Solament amb l’activitat diferenciada d’aquestes dues arboritzacions terminals i les seves connexions (taronja i blava), associades temporalment i mútuament potenciades és suficient per arribar a una FI llindar i activar a la neurona.
En el TI núm. 5, l’activació a baixa freqüència (en aquest cas) dels tres botons sinàptics de l’arborització terminal taronja, també ha desenvolupat certa LTP (en part homosinàptica, per ella mateixa), sobretot, però, per l’associació amb l’activitat de les arboritzacions colinèrgiques (ACh, acetilcolina) i aminèrgiques (SER, serotonina) que despolaritzen la membrana veïna. El resultat també arriba al llindar.
Podríem continuar aquest exercici acabant d’emplenar l’Excel amb noves combinacions de valors. Potser podríem fer una plantilla més gran, molt més gran i complexa. Aquesta tasca segurament ens faria entreveure millor els detalls del mecanisme d’integració neuronal de senyals. Potser podríem programar l’associació d’algunes o moltes plantilles fins i tot. Seguint l’argumentació arribaríem al terreny de les xarxes neuronals i entreveuríem models i mecanismes d’intel·ligència artificial.
Aquí solament hem reflexionat sobre els mecanismes més bàsics, al nivell cel·lular, que són necessaris per explicar l’actuació conjunta de les capacitats d’associació, memòria i aprenentatge neuronal.