"Es importante destacar que encontramos que el isoflurano no bloqueó la transmisión de todas las señales eléctricas por igual; el anestésico tuvo el efecto más fuerte sobre los impulsos de mayor frecuencia que se requieren para funciones como la cognición o el movimiento, mientras que tuvo un efecto mínimo sobre los impulsos de baja frecuencia que controlan funciones de soporte vital, como la respiración ", dijo el profesor Tomoyuki Takahashi, quien dirige la Unidad de Función Sináptica Celular y Molecular (CMSF) en OIST. "Esto explica cómo el isoflurano puede causar anestesia, al bloquear preferentemente las señales de alta frecuencia".
En las sinapsis, las neuronas presinápticas envían las señales y las neuronas postsinápticas las reciben. En la mayoría de las sinapsis, la comunicación se produce a través de mensajeros químicos 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 CMSF usó rebanadas 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 al Dr. Takayuki Yamashita, un investigador de la Nagoya University que realizó experimentos con sinapsis, llamadas sinapsis corticocorticales, en los cerebros de ratones vivos. Yamashita descubrió que el anestésico afectaba las sinapsis corticocorticales de manera similar al cáliz de Held. Cuando los ratones fueron anestesiados con isoflurano, la transmisión de alta frecuencia se redujo fuertemente, mientras que hubo menos efecto sobre la transmisión de baja frecuencia.
"Ambos experimentos confirmaron cómo el isoflurano actúa como anestésico general", dijo Takahashi. "Pero queríamos entender qué mecanismos subyacentes son los objetivos de isoflurano para debilitar las sinapsis de esta manera dependiente de la frecuencia".
Rastreando los objetivos
Con más experimentos, los investigadores encontraron que el isoflurano redujo la cantidad de neurotransmisores liberados, al disminuir la probabilidad de que se liberen las vesículas y al reducir el número máximo de vesículas que se pueden liberar a la vez. Por lo tanto, los científicos examinaron si el isoflurano afecta los canales de iones 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 entren en la célula. Las vesículas sinápticas luego detectan este aumento de calcio y se fusionan con la membrana. Los investigadores encontraron que el isoflurano redujo la entrada de calcio al bloquear los canales de iones de calcio, lo que a su vez redujo la probabilidad de liberación de vesículas.
"Sin embargo, este mecanismo por sí solo no podría explicar cómo el isoflurano reduce el número de vesículas que se pueden liberar, o la naturaleza dependiente de la frecuencia del efecto del isoflurano", dijo Takahashi.
Los científicos plantearon la hipótesis de que el isoflurano podría reducir la cantidad de vesículas que se pueden liberar al bloquear directamente el proceso de liberación de vesículas por exocitosis o al bloquear indirectamente el reciclaje de vesículas, donde las vesículas se reforman por endocitosis y luego se rellenan con neurotransmisores, listos para ser liberados nuevamente.
Al medir eléctricamente los cambios en el área superficial de la membrana del terminal presináptico, que aumenta con la exocitosis y disminuye con la endocitosis, los científicos concluyeron que el isoflurano solo afectó la liberación de vesículas por exocitosis, probablemente bloqueando la maquinaria exocítica.
"Fundamentalmente, descubrimos que este bloqueo solo tuvo 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 entrada de calcio tan masiva en el terminal presináptico que el isoflurano no puede reducir efectivamente la concentración de calcio. Por lo tanto, la fuerza 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 de isoflurano en la maquinaria exocítica tiene poco efecto. Aunque el isoflurano reduce efectivamente la entrada de calcio en el terminal presináptico, la disminución de la probabilidad de liberación de vesículas, por sí sola, no es lo suficientemente potente como para bloquear los potenciales de acción postsináptica en el cáliz de Held y solo tiene un efecto menor en las sinapsis corticocorticales. 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 para manipular y descifrar los mecanismos presinápticos, estamos listos para aplicar estas técnicas a preguntas más difíciles, como los mecanismos presinápticos que subyacen a los síntomas de las enfermedades neurodegenerativas", dijo Takahashi. "Ese será nuestro próximo desafío".
Fuente de la noticia: Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University. "Scientists unveil how general anesthesia works: A study in mice and rat brains reveals how general anesthesia dampens high frequency brain activity by weakening synapses." ScienceDaily. ScienceDaily, 27 April 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200427125200.htm
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