És plausible que en el començament de l’evolució dels organismes pluricel·lulars, alguna o algunes mutacions, permetessin la producció de prolongacions cel·lulars similars a les de les neurones. La diferenciació morfològica, histològica, per recórrer distàncies pot estar a l’origen del sistema nerviós, juntament amb la sofisticació dels canals iònics.
Però de quines distàncies estem parlant? Les dimensions microscòpiques no són immediatament evidents en la nostra escala del dia a dia i costen d’imaginar. Podem fer-hi una aproximació intuïtiva aplicant una mena de zoom, una ampliació imaginària d’alguna neurona amb molta personalitat. Per exemple, podem imaginar una neurona motora que controla l’activitat motora voluntària dels músculs esquelètics en fer sinapsis amb les cèl·lules musculars. Considerem una motoneurona situada en la medul·la espinal lumbar que fa 70 micròmetres (7 x 10-5 o 0.000.070 metres) de diàmetre i que genera unes quantes prolongacions curtes al seu voltant més immediat, les dendrites. A sobre de les dendrites arriben les prolongacions d’altres neurones situades en múltiples llocs distants i que hi acudeixen per portar múltiples informacions relacionades amb el control de la mobilitat, formant prop de 105 sinapsis entre totes. La motoneurona té una sola prolongació llarga (anomenada axó) que conduirà el seu propi i únic senyal (el de la motoneurona) cap al múscul, al qual innervarà formant sinapsis, amb unes quantes desenes de cèl·lules musculars. Si imaginem una motoneurona lumbar que innerva un múscul flexor dels dits del peu, el seu axó ha d’arribar-hi (al llarg del nervi ciàtic i següents en aquest cas), i la distància que ha de recórrer entre la zona lumbar de l’esquena i el peu fa aproximadament un metre en moltes persones.
Ara ja podem fer l’experiment del zoom i engrandir amb la nostra imaginació la motoneurona com una pilota de tenis fins que tingui un diàmetre reglamentari de 7 centímetres (0.07 metres). Aleshores mirem l’augment que hem aplicat mentalment, que resulta ser 1000 vegades:
0.07 m (7 cm) / 0.000.070 m (70 micròmetres) = 1000
Així, la longitud de l’axó, que mesura un metre, ara fa 1.000 metres amb la simulació, un quilòmetre, i la conclusió immediata és que les neurones motores, si més no moltes d’elles, recorren aquesta gran distància malgrat que són tan petites, i fan, a l’escala microscòpica, el mateix que podria fer una pilota de tenis enviant senyals per un cable de llum a 1 km de distància.
Pensem en aquest zoom aplicat a una motoneurona d’una balena blava de 25 metres. És clar que a l’interior de l’encèfal les distàncies són més curtes i no cal enviar senyals tan lluny, i, per tant, la velocitat de comunicació pot ser més ràpida (els senyals arriben abans a la diana).
Així, la distància en la comunicació neuronal la recorre la diferenciació morfològica, histològica. Al llarg de l’evolució, ha estat necessari establir també mecanismes que permetin i sostinguin aquesta extraordinària estructura. En primer lloc, ha estat necessari per obtenir neurones funcionals que, durant l’evolució, es perfeccionessin mecanismes de guia i reconeixement: guia del recorregut inicial de les prolongacions neuronals i reconeixement del destí o de les cèl·lules diana.
Continuant amb el mateix exemple de la neurona motora lumbar, les neurones han de disposar de grans quantitats de la maquinària molecular per mantenir aquestes enormes prolongacions. El cos esfèric de la nostra motoneurona, sense comptar les dendrites, té un volum de 180 x 103 micròmetres cúbics (volum de l’esfera V=4/3𝜋r3). El volum de l’axó cilindric (sense comptar les ramificacions finals per innervar dintre del múscul els diferents miòcits) és de 78 x 106 micròmetres cúbics (volum del cilindre V=𝜋hr2 ; h és l’altura o longitud, i r, el radi de 5 micròmetres). Així doncs, el cos (soma) de la neurona ha de permetre el creixement i mantenir i renovar l’estructura i les molècules d’un axó que té un volum 433 vegades més gran que ella mateixa (sense comptar les dendrites i l’arborització final de l’axó, com hem dit, que podria doblar aquest volum). Per assolir aquest repte, l’expressió genètica de les neurones és altíssima i continuada, amb una enorme quantitat dels elements de la maquinària de síntesi, de les cisternes i els ribosomes per produir molècules de tota mena.
Un altre mecanisme cel·lular en què les neurones s’han d’especialitzar molt és el transport intracel·lular de molècules i orgànuls des del soma cap al final de les llargues prolongacions (transport anterògrad) i des de les terminacions cap al soma (transport retrògrad, que inclou molècules senyalitzadores des de les cèl·lules innervades). El desplaçament el fan motors moleculars que gasten l’energia acumulada en l’ATP per canviar de conformació i caminar per sobre dels microtúbuls que formen part de l’esquelet cel·lular. Els motors de Cinesina, situats en el soma, es fixen en la membrana de vesícules carregades de materials en el seu interior o ancorats en la membrana vesicular i es desplacen de forma anterògrada, centrífugament, a 300 micròmetres per segon. El motor dineïna fa el recorregut contrari, retrògrad o centrípet, a 200 micròmetres per segon. Així doncs, de forma general, entre una hora en sentit anterògrad i una hora i mitja en sentit retrògrad es pot dur a terme la comunicació dels extrems de la motoneurona, contribuint al manteniment d’aquesta estructura tan gran.