TEMES

La guerra de la sopa i les espurnes

Les troballes fonamentals que acaben donant forma al curs del pensament científic poques vegades arriben d'una manera senzilla. Més aviat el descobriment resulta de la combinació d'arguments científics, personalitat individual i el curs imprevisible de la història. En aquest sentit, la neurociència té un ric historial de debats apassionats i enceses discussions que van formant el coneixement de com funciona el nostre sistema nerviós. Si m’ho permeteu avui us explicaré un d’aquests debats que alguns han denominat “la guerra de la sopa i les espurnes” (1) i que pretén definir la forma com es comuniquen les nostres neurones.

Ramón i Cajal va establir que les neurones són cèl·lules individuals que es comuniquen a través d’estructures específiques, les quals Sherrington va anomenar "sinapsis”. La teoria neuronal proposà que, a través de les sinapsis, les neurones estableixen xarxes de comunicació molt plàstiques. Però la teoria no va definir la forma com es transmet la informació en aquesta xarxa neuronal. Per això es va desfermar un amarg debat sobre la naturalesa de la transmissió sinàptica: Aquesta transmissió es duu a terme per senyals químics o elèctrics? Es tracta de substàncies que s’alliberen a l’espai sinàptic i conformen així una mena de sopa de molècules? O són corrents elèctrics que es desplacen d’una neurona a l’altra per la seva superfície com espurnes per un filferro?

La teoria de “la sopa”

La teoria de la sinapsi química era defensada principalment per farmacòlegs i estableix que una neurona anomenada presinàptica allibera una molècula al líquid extracel·lular de l’espai o fenedura sinàptica. Aquest compost anomenat neurotransmissor es difon per l’espai sinàptic fins que interacciona amb un receptor en la superfície de la cèl·lula que rep el senyal, anomenada postsinàptica (figura). Finalment el senyal és netejat de l’espai per algun mecanisme d’eliminació.

figura1.jpg
Figura: Esquema general de les sinapsis química i elèctrica

Els dos màxims representants del bàndol dels farmacòlegs van ser Henry Dale i Otto Loewi, que van compartir premi Nobel el 1936. Loewi va ser un somiador. Literalment. Segons ho explicà ell mateix, una nit de 1920 es va despertar amb una idea i la va apuntar en un paper abans de tornar a adormir-se. L’endemà al matí va ser incapaç d’entendre els gargots que havia escrit, però a la nit següent la idea va tornar a la seva ment (2). Es tractava del disseny d’un experiment que li va inspirar Dale per determinar si la hipòtesi de transmissió química que portava disset anys defensant era o no correcta. A l’experiment, Loewi va aconseguir inhibir l’activitat del cor d’una granota amb la secreció del nervi vague d’una altra granota. Aquesta secreció, que ara és coneguda amb el nom d’acetilcolina, va ser el primer neurotransmissor descrit de la història.

Dale i Loewi van demostrar l'existència de neurotransmissors amb accions en cèl·lules postsinàptiques, però encara hi havia una controvèrsia sobre si l’alliberament i la difusió del neurotransmissor podria ocórrer en mil·lèsimes de segon, el nomenat “retard” sinàptic. Aquesta qüestió va ser resposta pel laboratori de Bernard Katz. L’equip de Katz va demostrar que la transmissió sinàptica a la unió neuromuscular de la granota és induïda per un corrent elèctric que arriba al terminal nerviós i que aquest corrent produeix l’alliberament del neurotransmissor, dependent de calci, dins d'una fracció de mil·lisegons (3). Gradualment es va anar demostrant que aquest mecanisme de transmissió també es produeix en el sistema nerviós central de tot un seguit d’animals, inclosos els mamífers. En conseqüència, es va arribar a l’acord general que la transmissió sinàpica es duu a terme a través d’un missatger químic.

La teoria de “les espurnes”

Alguns fisiòlegs, com ara John Eccles, no estaven, però, gaire d’acord amb aquesta decisió. Més enllà dels seus experiments que van contribuir a aclarir el paper de l’acetilcolina a la unió neuromuscular, Eccles va ser important per l’acalorada discussió científica que va mantenir amb el seu amic Dale, la qual va atiar tant el debat que es pot considerar l’inici d’aquesta guerra i va inspirar científics defensors de totes dues teories a l’hora de plantejar els seus estudis.

Però no va ser fins el 1958 que D. Potter va descriure les curioses propietats de la transmissió sinàptica en crancs de riu, les quals desafiaven de ple tots els criteris establerts per a la transmissió química (4). En els experiments de Potter, la sinapsi no tenia retard i els senyals postsinàptics reproduïen el recorregut temporal dels senyals presinàptics. A més a més, la transmissió era bidireccional i, sorprenentment, depenia del voltatge del corrent elèctric aplicat (Figura). En aquests crancs, els nervis es comportaven com un circuit elèctric.

Les troballes de Potter van proporcionar les primeres evidències en suport de l'existència de la transmissió elèctrica. Aviat van ser seguides per diferents laboratoris que van realitzar estudis en el cervell de peixos teleostis, on es van combinar anàlisis fisiològiques i ultraestructurals per demostrar l’existència de la sinapsi elèctrica en el sistema nerviós. A més, la recerca de les bases atòmiques de la transmissió elèctrica ha contribuït enormement a la identificació de les estructures cel·lulars que avui coneixem com a unions gap (gap junctions, en anglès) i que permeten l’intercanvi directe de substàncies entre cèl·lules de molts tipus.

De totes maneres, la sinapsi elèctrica, tan ben caracteritzada en artròpodes i peixos, ha estat considerada per molts com un mecanisme secundari o fins i tot residual en el sistema nerviós dels mamífers. Per la seva banda l’estudi de les bases moleculars de la sinapsi química ha permès no només caracteritzar el seu mecanisme sinó també entendre el fonament cel·lular d’algunes disfuncions psiquiàtriques i neurològiques i desenvolupar enormement el camp de la neurofarmacologia. Durant molts anys, doncs, es va considerar que la sinapsi química havia guanyat la guerra.

La sinapsi a la postguerra

No obstant això, la recerca de la sinapsi elèctrica no s’ha abandonat mai i, amb els anys, una colla de fisiòlegs irreductibles ha anat descrivint la seva presència a la retina, el bulb olfactori, l’escorça cerebral i moltes altres estructures del sistema nerviós dels mamífers, amb importants funcions en les neurones inhibidores. Avui dia el fet indiscutible és que la transmissió química i la transmissió elèctrica conviuen en tots els sistemes nerviosos i que la seva interacció és imprescindible pel funcionament normal del cervell (5).

Per exemple, a l’escorça cerebral les neurones inhibidores modulen l’activitat de les neurones piramidals alliberant GABA, un neurotransmissor que redueix la seva excitabilitat. Aquestes neurones inhibidores no treballen soles, fan una xarxa de interaccions que exigeix una activació coordinada de totes elles. Aquesta coordinació s’aconsegueix mitjançant la comunicació per sinapsis elèctriques. El significat funcional d’aquesta doble interacció és: a través de la sinapsi elèctrica una cèl·lula inhibidora activa conjuntament i simultània tot un grup de cèl·lules veïnes també inhibidores; d’aquesta forma pot modular a través de sinapsis químiques l’activitat de les neurones activadores de tota una àrea cerebral. Si falla la coordinació elèctrica de les neurones inhibidores, les excitadores presenten un excés incontrolat d’activitat que pot ser patològic (6).

Arribats a aquest punt potser diríem que la teoria neuronal està completa i el debat sobre la naturalesa de la transmissió sinàptica tancat, però no és així. La presència d’aquestes dues modalitats de transmissió sinàptica no exclou la possible existència de sistemes alternatius com ara la transmissió per volum (la difusió dels neurotransmissors fora de l’espai sinàptic per arribar a cèl·lules dianes més allunyades) o la generació de camps elèctrics que podrien influir en l’excitabilitat de neurones properes. El debat que desperten aquestes teories, però, no és tan aferrissat i, en tot cas, es tractaria d’una altra guerra les batalles de la qual encara s’estan lliurant.

REFERÈNCIES:

1. Valenstein ES. 2006. The war of the soups and the sparks. The discovery of neurotransmitters and the dispute over how nerves communicate. Columbia Univ Press.

2. McCoy AN, Tan YS. 2014. Otto Loewi (1873–1961): Dreamer and Nobel laureate. Singapore Med J. 55: 3-4.

3. Augustine GJ, Kasai H. 2006. Bernard Katz, quantal transmitter release and the foundations of presynaptic physiology. J Physiol. 578(Pt 3): 623–625.

4. Furshpan JE, Potter DD. 1959. Transmission at the giant motor synapses of the crayfish. J Physiol. I45:289-325.

5. Pereda A. 2014. Electrical synapses and their functional interactions with chemical synapses. Nat Rev Neurosci. 15(4): 250–263.

6.  Connors BW. 2017. Synchrony and so much more: Diverse roles for electrical synapses in neural circuits. Dev Neurobiol. 77(5):610-624.

Contacta amb Divulcat