α2δ-2 mediates coupling of presynaptic calcium entry to vesicle release in hippocampal parvalbumin-expressing interneurons

El cerebro depende de un delicado equilibrio entre las señales que excitan a las neuronas y las señales que las calman. Cuando este equilibrio se inclina demasiado hacia la excitación, el resultado puede ser una convulsión, un aumento repentino de la actividad eléctrica que altera el funcionamiento normal. Para mantener esta estabilidad, el cerebro utiliza células especiales llamadas interneuronas, que actúan como los frenos del sistema nervioso. Estas células liberan un mensajero químico conocido como GABA que ralentiza a las neuronas vecinas, evitando que se disparen con demasiada rapidez. Para que este sistema de frenado funcione, las interneuronas deben ser capaces de detectar cuándo llega una señal eléctrica y liberar instantáneamente su carga química. Este proceso depende de diminutos poros en la membrana celular llamados canales de calcio, que permiten la entrada de calcio para desencadenar la liberación. Sin embargo, estos canales a menudo necesitan la ayuda de proteínas socias más pequeñas para funcionar correctamente, y los científicos aún están aprendiendo exactamente cómo funcionan estas asociaciones en diferentes partes del cerebro.

Un equipo de investigadores dirigió recientemente su atención a una proteína socia específica llamada alfa-2-delta-2, que pertenece a una familia de moléculas que asisten a los canales de calcio. Se centraron en un grupo de células inhibitorias en el hipocampo, una región del cerebro vital para la memoria, que están marcadas por una proteína llamada parvalbúmina. Se sabe que estas células positivas para la parvalbúmina son ricas en la socia alfa-2-delta-2, y estudios previos habían demostrado que los ratones a los que les falta esta proteína sufren convulsiones espontáneas. Los investigadores querían comprender el vínculo mecánico entre la proteína ausente y las convulsiones. Se preguntaron si la ausencia de esta proteína socia simplemente reducía el número de estas células de frenado, o si rompía la maquinaria dentro de las células que les permite liberar sus sustancias químicas calmantes en primer lugar.

Para encontrar la respuesta, los científicos prepararon cortes finos de tejido cerebral de ratones que carecían de la proteína alfa-2-delta-2 y los compararon con cortes de ratones normales. Primero observaron la actividad general en el giro dentado, una zona específica dentro del hipocampo. Descubrieron que en los ratones a los que les faltaba la proteína, el equilibrio de las señales se había desplazado; las señales excitatorias eran más fuertes en relación con las inhibitorias. Para ver si esto se debía a que las células de frenado no lograban dispararse, los investigadores utilizaron una técnica llamada optogenética, que permite a los científicos encender y apagar células específicas con luz. Cuando iluminaron para activar las células positivas para la parvalbúmina, los ratones normales mostraron una fuerte liberación de señales inhibitorias. En contraste, los ratones sin la proteína alfa-2-delta-2 produjeron corrientes inhibitorias dramáticamente menores, lo que indicaba que las células estaban luchando por hacer su trabajo.

El equipo investigó entonces si las células simplemente faltaban o si estaban presentes pero funcionaban mal. Al teñir el tejido para visualizar las células, descubrieron que efectivamente había menos conexiones de estas células inhibitorias hacia sus neuronas diana en los ratones mutantes. Sin embargo, el problema iba más allá de una simple pérdida de conexiones. Incluso las conexiones que permanecían estaban funcionalmente deterioradas. Los investigadores midieron la probabilidad de que las células liberaran su mensajero químico y encontraron que era significativamente menor en los ratones mutantes. Además, observaron que el suministro de paquetes químicos listos para ser liberados, conocidos como vesículas, era menor que en los ratones normales.

Finalmente, los científicos examinaron qué tan bien estaban vinculados los canales de calcio con la liberación de estas vesículas. Al manipular los niveles de calcio dentro y fuera de las células, demostraron que la conexión entre la entrada de calcio y la subsiguiente liberación del químico inhibitorio era mucho más débil en las células que carecían de la proteína alfa-2-delta-2. El estudio concluye que esta proteína socia específica es esencial para acoplar la entrada de calcio con la liberación de señales inhibitorias en estas células cerebrales. Sin ella, el sistema de frenado se vuelve ineficiente, lo que conduce a un estado en el que el cerebro es más propenso a las tormentas eléctricas incontroladas conocidas como convulsiones. Los hallazgos sugieren que las convulsiones observadas en estos ratones no son solo el resultado de tener menos células inhibitorias, sino que son causadas por una ruptura fundamental en la forma en que las células restantes se comunican y liberan sus señales calmantes.