Angel Acebes, Alfonso Martín-Peña, Valérie Chevalier, and Alberto Ferrús
+ Author Affiliations
Cajal Institute, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, 28002 Madrid, Spain
+ Author Notes
A. Martín-Peña's present address: Department of Neuroscience, The Scripps Research Institute, 130 Scripps Way, Jupiter, FL 33458.
Correspondence should be addressed to Alberto Ferrús, Cajal Institute, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Avenida Dr. Arce 37, 28002 Madrid, Spain. aferrus@cajal.csic.es
Abstract
Synapse loss correlates with cognitive decline in aging and most neurological pathologies. Sensory perception changes often represent subtle dysfunctions that precede the onset of a neurodegenerative disease. However, a cause–effect relationship between synapse loss and sensory perception deficits is difficult to prove and quantify due to functional and structural adaptation of neural systems. Here we modified a PI3K/AKT/GSK3 signaling pathway to reduce the number of synapses—without affecting the number of cells—in five subsets of local interneurons of the Drosophila olfactory glomeruli and measured the behavioral effects on olfactory perception. The neuron subsets were chosen under the criteria of GABA or ChAT expression. The reduction of one subset of synapses, mostly inhibitory, converted the responses to all odorants and concentrations tested as repulsive, while the reduction of another subset, mostly excitatory, led to a shift toward attraction. However, the simultaneous reduction of both synapse subsets restored normal perception. One group of local interneurons proved unaffected by the induced synapse loss in the perception of some odorants, indicating a functional specialization of these cells. Using genetic tools for space and temporal control of synapse number decrease, we show that the perception effects are specific to the local interneurons, rather than the mushroom bodies, and are not based on major structural changes elicited during development. These findings demonstrate that synapse loss cause sensory perception changes and suggest that normal perception is based on a balance between excitation and inhibition.
Copyright © 2011 the authors 0270-6474/11/312734-12$15.00/0
Synapse Loss in Olfactory Local Interneurons Modifies Perception
NEUROLOGÍA
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Un estudio del CSIC desvela las claves para restaurar la percepción sensorial
JANO.es · 02 Junio 2011 15:27
Los investigadores constatan que el cerebro trabaja de forma correcta cuando se produce un equilibrio en los procesos de excitación e inhibición.
Sistema olfativo adulto. / Comunicación CSIC
Un equipo de científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha dado un paso adelante en la comprensión de la percepción sensorial del cerebro. Los investigadores han comprobado en la mosca Drosophila que la maquinaria cerebral trabaja de forma correcta cuando se produce un equilibrio en los procesos de excitación e inhibición, dos tipos de señales que las neuronas emplean para conversar. Los resultados, publicados en la revista Journal of Neurosciences, abren la vía a nuevos tratamientos contra enfermedades como la esquizofrenia, que provocan alteraciones en la percepción de la realidad.
Los investigadores, que trabajan en el Instituto Cajal, un centro del CSIC, han modificado el número de contactos entre neuronas, denominados sinapsis, en el lóbulo olfativo de moscas Drosophila. Todos los núcleos cerebrales contienen proporciones diversas de estos dos tipos de uniones, excitatorias e inhibitorias, entre neuronas, que se activan dependiendo de las sustancias neurotransmisoras que intervienen en cada momento.
Durante los experimentos, los científicos manipularon genéticamente grupos seleccionados de neuronas y comprobaron que la pérdida de sinapsis excitatorias convertía en atractiva la percepción de olores que normalmente son interpretados como repelentes. Sin embargo, la pérdida de sinapsis de tipo inhibitorio provocaba la reacción contraria.
“Lo que hicimos fue manipular el número de sinapsis excitatorias e inhibitorias y sorprendentemente comprobamos que la normalidad en cómo se percibe el olor no se basa en el número absoluto de estas conexiones, sino en que exista un equilibrio entre ambos tipos. La reducción simultánea de ambos tipos de sinapsis devuelve la normalidad a la percepción, algo que hasta ahora no se había demostrado”, explica el investigador del CSIC Alberto Ferrús, uno de los autores del trabajo.
Los investigadores eligieron modificar el sistema olfativo de la Drosophila porque la claridad con que se observan los cambios en la percepción. “Modificamos el modo en que un sistema informa a la célula de cuánta sinapsis tiene que hacer. Una vez que vimos que esto era posible, observamos cómo cambiaba la percepción. En el sistema olfativo, es fácil cuantificar los cambios de percepción porque se pueden medir”, aclara el científico del CSIC.
Según Ferrús, muchas de las enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer o el Parkinson, comienzan con defectos en la percepción olfativa. “Por eso es útil reproducir estas situaciones en el sistema olfativo de las moscas”, agrega.
Estudios en ratas
Los científicos ya han comenzado a aplicar estos métodos de control del número de sinapsis también en mamíferos. En coordinación con los trabajos en moscas, científicos del Instituto Cajal y del Centro de Investigación Biomédica de La Rioja han demostrado en un estudio paralelo que este tipo de manipulaciones genéticas se pueden reproducir también en ratas. “De esta forma se abren nuevas perspectivas para el diagnóstico y, eventualmente, el diseño de tratamientos específicos para cada tipo de paciente con trastornos de la percepción”, señala Alberto Ferrús, que ha participado también en esta otra investigación, dirigida por el investigador del Centro de Investigación Biomédica de La Rioja Miguel Morales.
Según Ferrús, la falta de conocimiento básico sobre los fundamentos de la percepción normal influye en los tratamientos de enfermedades como la esquizofrenia. “Enfermedades de este tipo son tratadas con cierto éxito mediante fármacos dirigidos a reducir bien la inhibición, bien la excitación general en el cerebro. Sin embargo, los tratamientos basados en el ensayo de prueba y error han dado como fruto un elevado número de fracasos, porque se desconocía cómo es una percepción normal”, señala.
The Journal of Neuroscience (2011); doi: 10.1523/JNEUROSCI.5046-10.2011
Synapse Loss in Olfactory Local Interneurons Modifies Perception
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