Hay un nombre, un rostro y una silueta, pero él quiere recordar un detalle de manera más precisa. Quiere recordar la ropa que ella llevaba cuando la vio por primera vez y el color exacto de sus ojos. Se sumerge en sus recuerdos más cálidos y su cerebro trabaja con mucha energía. Reacciones químicas que utilizan oxígeno y derivados de la glucosa trabajan intensamente para escarbar en los recuerdos que se almacenan en varias regiones del cerebro, como el hipocampo, la neocorteza y la amígdala. El cerebro codifica, almacena y finalmente recupera la información. Su recuerdo emerge: una camisa blanca de manga larga bordada hacía brillar el negro de sus ojos con más intensidad la noche que la conoció.
Las mitocondrias juegan un papel fundamental en la activación de las conexiones sinápticas entre las neuronas para recuperar recuerdos. Las mitocondrias son importantes para las neuronas porque generan el ATP (adenosín trifosfato), que guarda la energía para su utilización posterior en diversas reacciones químicas intracelulares. Si las mitocondrias fallan, las neuronas no pueden funcionar correctamente y comienzan a resentirse los procesos de memoria, cognición, y lenguaje.
Las mitocondrias son organelos presentes en casi todas las células eucariotas, en las que ocupan hasta el 20% del volumen citoplasmático y son las responsables de proporcionar la energía necesaria para su supervivencia. Se trata de organismos sumamente dinámicos que cambian de forma y localización dentro de la célula a través de procesos de fisión, fusión y transporte. Además, son los únicos organelos de las células animales que tienen su propio ADN.
Lee también: Así es como la IA afectaría al cerebro humano; esto dicen investigaciones
El cerebro no descansa. Tiene una tasa metabólica alta, mediante la que consume alrededor del 20% del oxígeno que se inspira en reposo y el 25% de la glucosa de todo el cuerpo, a pesar de que sólo representa el 2% del peso corporal. Debido a su especialización morfológica y funcional, las neuronas no muestran una distribución uniforme de mitocondrias. Las áreas de alta demanda de ATP, como las terminales presinápticas, el cono de crecimiento axonal y los nodos de Ranvier, contienen más mitocondrias que otras partes de la neurona.
Por la importancia de las neuronas en el funcionamiento del cerebro, su ubicación exacta había sido un reto científico que ha sido allanado mediante el primer mapa mitocondral del cerebro. En la investigación Un mapa cerebral humano de la capacidad y diversidad respiratoria mitocondrial, publicado recientemente en la revista Nature, se plantea cómo se logró identificar esta carga energética neuronal en cada parte del cerebro.
Este revolucionario documento, impulsado por investigadores del Departamento de Psiquiatría, Divisiones de Terapéutica Molecular y Medicina del Comportamiento del Centro Médico de la Universidad de Columbia, entre otros, podría llevar a los especialistas a entender mejor muchos de los trastornos neurodegenerativos y psiquiátricos que se gestan en diversas áreas del cerebro.
Un mapa fundamental
El cerebro de un hombre de 54 años que murió de un infarto fue fundamental para armar el complejo rompecabezas mitocondrial. Para comprender la base de la actividad y el comportamiento cerebral es necesario definir el paisaje energético molecular de este órgano, por lo que los autores del estudio dividieron el cerebro humano congelado en 703 cubos muy pequeños.
Cada cubo medía 3×3×3 milímetros, comparable al tamaño de las unidades que componen las imágenes 3D estándar del cerebro. Para entender el trabajo realizado de esta investigación es importante subrayar que una célula tiene aproximadamente mil mitocondrias, pero la cifra se puede multiplicar por seis en el caso de las neuronas, los músculos y el corazón.
La llamada fosforilación oxidativa mitocondrial (OXPHOS) es la encargada de potenciar la actividad cerebral y también se involucra con los defectos mitocondriales que están relacionados con trastornos neurodegenerativos y neuropsiquiátricos.
Para cerrar la brecha de escala entre la neurociencia cognitiva y biología celular, se desarrollaron herramientas para vincular la información de la evidencia física obtenida del hemisferio coronal humano en 703 fragmentos, con datos de neuroimágenes macroscópicas.
En el estudio, los investigadores explican que en cada fragmento cerebral cortical y subcortical, se perfilaron los fenotipos mitocondriales, incluidas las actividades enzimáticas de OXPHOS, el ADN mitocondrial y la densidad de volumen, así como la capacidad respiratoria específica de las mitocondrias; es decir, se generó mucha información sobre la energía que las mueve.
En el proceso se mostró que el cerebro humano contiene diversos fenotipos mitocondriales impulsados por los tipos de células. En comparación con la materia blanca, la materia gris contiene un 50% más de mitocondrias. Además, las mitocondrias de la materia gris están bioquímicamente optimizadas para la transformación energética, en particular, en las regiones cerebrales corticales de reciente evolución.
La materia gris y la materia blanca son dos componentes muy importantes del sistema nervioso central. La materia gris está compuesta por los cuerpos de las neuronas, tiene un color grisáceo y se encuentra en la corteza cerebral y en otras áreas subcorticales. Es esencial para el procesamiento y la regulación de la información sensorial y motora.
En tanto, la materia blanca está compuesta por fibras nerviosas (axones), tiene un color blanquecino y se encuentra en los tejidos más profundos del cerebro. Es responsable de conectar las diferentes áreas de la materia gris y es crucial para la velocidad de procesamiento, la memoria y el aprendizaje. Finalmente, la materia gris y la materia blanca interactúan entre sí: la materia gris procesa la información, mientras que la materia blanca la distribuye.
Con la evidencia física y las imágenes neuronales, se logró generar un mapa cerebral de la distribución y especialización mitocondrial. Este modelo logra proyectar las características mitocondriales en una región cerebral independiente del mismo cerebro donante. El llamado MitoBrainMap proporciona una base para explorar el panorama energético molecular que permite la función cerebral normal. Este recurso también se relaciona con datos de neuroimagen y define la base subcelular de los procesos cerebrales regionalizados relevantes para los trastornos neuropsiquiátricos y neurodegenerativos.
Lee también: Antonio Lazcano inicia programa de conferencias de la Academia Mexicana de Ciencias
El futuro del Alzheimer
En la investigación liderada por Eugene V. Mosharov se subraya que las mitocondrias están especializadas molecularmente para satisfacer demandas celulares específicas y proporcionar la energía necesaria para sustentar la actividad cerebral. Las mitocondrias participan en otras funciones cruciales, incluida la señalización célula-célula, la regulación de la excitabilidad neuronal, la liberación de neurotransmisores y la modulación de los procesos inflamatorios. En consecuencia, las mitocondrias también tienen un papel vital en numerosas funciones de soporte distribuidas a través de las redes a gran escala del cerebro.
Los estudios previos han explorado la influencia de las mitocondrias en la cognición y el comportamiento, pero lo que abona este nuevo mapa es poder entender las fuerzas energéticas que impulsan y dirigen la compleja dinámica del cerebro humano en la distribución espacial de las mitocondrias transformadoras de energía a través de las estructuras cerebrales.
En el caso de la enfermedad del Alzheimer, por ejemplo, este mapa podría ofrecer una oportunidad para entender mejor sus relaciones en el deterioro cognitivo. Las mitocondrias son importantes para los procesos de plasticidad en el cerebro, sin embargo, son pocos los estudios que han abordado con claridad el papel de estos organelos en funciones mentales superiores como la cognición. Aproximaciones recientes han encontrado que la presencia de ADN mitocondrial de distinto tipo en la misma célula puede generar un deterioro en la memoria a largo plazo.
Después de dividir en miles de partes un cerebro donado, el equipo ya ha iniciado un proyecto más amplio para mapear nueve regiones en 500 cerebros humanos, lo que permitiría comparar con más datos las mitocondrias cerebrales entre individuos con y sin trastornos neurológicos, psiquiátricos y neurodegenerativos.