La Neurociencia molecular es una rama de la neurociencia que hace uso de los conceptos de la biología molecular aplicados al sistema nervioso de los animales. El campo de aplicación de esta materia pertenece principalmente a un enfoque reduccionista de la neurociencia, considerando temas como neuroanatomía molecular, mecanismos de señalización molecular en el sistema nervioso, los efectos de la genética en el desarrollo neuronal, y las bases moleculares de la neuroplasticidad y de las enfermedades neurodegenerativas. Como en la biología molecular, la neurociencia molecular es un campo relativamente nuevo y es considerado como dinámico.

Localización de neurotransmisores En biología molecular, la comunicación entre neuronas normalmente ocurre por medio de transiciones químicas a través de los espacios entre las células llamadas sinapsis. Los químicos transmitidos, conocidos como neurotransmisores, regulan una fracción significativa de las funciones vitales del cuerpo. Es posible localizar anatómicamente los neurotransmisores por medio de técnicas de marcaje. Es posible de identificar químicamente ciertos neurotransmisores como las catecolaminas por medio de fijación neural de secciones de tejido con formaldehído. Esto puede dar lugar a que el formaldehído induzca fluorescencia al ser expuesto a luz ultravioleta (UV). La dopamina, una catecolamina, fue identificada en el nematodo C. elegans por medio de esta técnica. La inmunocitoquímica, que involucra la generación de anticuerpos en contra de las entidades químicas o biológicas blanco. Un neurotransmisor blanco puede ser específicamente marcado por anticuerpos primarios y secundarios mascados con sondas radioactivas para identificar al neurotransmisor por autoradiografía. La presencia de neurotransmisores (aunque no sea necesariamente en su ubicación regular) puede ser observado por medio de inmunocitoquímica ligada a enzimas o por medio de un ensayo por inmunoabsorción ligado a enzimas en el que la unión del sustrato en los ensayos enzimáticos puede inducir [precipitado]]s, fluorocromos, o quimioluminiscencia. En el caso de que los neurotransmisores no puedan ser identificados, un método alternativo es localizarlos por medio de sus mecanismos de captación neuronales.

Canales iónicos dependientes de voltaje thumb|Estructura de un canal iónico de potasio dependiente de voltaje de eucationte Las células excitables en los organismos vivos tienen canales iónicos dependientes de voltaje. Esto puede verse en todas las neuronas del sistema nervioso. Los primeros canales iónicos que pudieron ser caracterizados fueron los canales iónicos de sodio y potasio por A.L. Hodgkin and A.F. Huxley en 1950s al estudiar el axón gigante de un Loligo del género del calamar. Su investigación demostró la permeabilidad selectiva de las membranas celulares, dependiendo de las condiciones fisiológicas, y de los efectos eléctricos resultantes de estas permeabilidades para producir los potenciales de acción

Canal iónico de sodio Los canales de sodio fue el primer canal iónico dependiente de voltaje en ser aislado en 1984 de la anguila Electrophorus electricus por Shosaku Numa. La Tetrodotoxina del Tetraodontidae, un bloqueador del canal de sodio, fue usada para aislar la proteína del canal de sodio al unirla usando la técnica de la columna de cromatografía para una separación química. La secuencia de aminoácidos de la proteína fue analizada por medio de la degradación de Edman y después fue utilizada para construir una librería de cDNA la cual pudo ser usada para clonar la proteína del canal. La clonación del propio canal permite utilizarlo para varias aplicaciones como la identificación de estos canales en otros animales. Se sabe que los canales de sodio trabajan en conjunto con los canales de potasio durante el desarrollo de un potencial de gradiente y de los potenciales de acción. Los canales de sodio permiten el flujo de iones de Na+ hacia dentro de la neurona, resultando en la despolarización del potencial de reposo de la neurona para llevar a un potencial de gradiente o un potencial de acción, dependiendo del grado de despolarización.

Canal iónico de potasio Los canales iónicos de potasio tienen una gran variedad de formas, están presentes en la mayoría de las células eukariotas, y normalmente tienden a estabilizar la membrana celular con el potencial de equilibrio de potasio. Como en el caso del canal de sodio, los potenciales de gradiente y los potenciales de acción, los canales de potasio también son dependientes de ellos. Mientras el flujo hacia dentro de la célula de los iones de Na+ inducen la despolarización celular, el flujo de los iones de K+ hacia afuera de la célula provoca la repolarización de la célula para contrarrestar el potencial de membrana. La activación de los canales iónicos de potasio por sí solos son dependientes de la despolarización resultante del flujo hacia dentro de los iones de Na+ durante el potencial de acción. Como en el caso de los canales de sodio, los canales de potasio también tienen sus propias toxinas que los bloquean impidiendo la acción de la proteína. Un ejemplo de una toxina, es el caso del gran catión, tetraetilamonio (TEA), pero es notable que la toxina no tiene el mismo mecanismo de acción en todos los canales de potasio, dado la gran variedad de tipos de canales en las diferentes especies. La presencia de canales de potasio fue identificada por primera vez en una mutante de moscas Drosophila melanogaster que sacudió incontrolablemente a la anestesia debido a problemas en la repolarización celular que derivó en neuronas anormales y en la electrofisiología del músculo. Los canales de potasio fueron identificados por primera vez por medio de la manipulación genética molecular de las moscas en lugar de la realización de una purificación de la proteína ya que no se conocían, en el tiempo del descubrimiento, ligandos de alta afinidad a canales de potasio (como el TEA).

Canal iónico de calcio Los canales de calcio son importantes para ciertas cascadas de señalización celular así como en la liberación de neurotransmisores en los axones terminales. Una gran variedad de canales iónicos de calcio son encontrados en células excitables. Como en el caso de los canales de sodio, los canales de calcio fueron aislados y clonados por medio de técnicas de purificación cromatográfica. Es notable, como en el caso de la liberación de neurotransmisores, que los canales de calcio pueden interactuar con las proteínas intercelulares y juegan un papel muy importante en la señalización, especialmente en lugares como en el retículo endoplasmático de las células musculares.

Receptores Diferentes tipos de receptores pueden ser utilizados para la señalización y comunicación celular y pueden incluir receptores ionotrópicos y receptores metabotrópicos. Los tipos de receptores de superficie celular son diferenciados por su mecanismo y duración de acción con los receptores ionotrópicos asociados con la transmisión rápida de señales y con los receptores metabotrópicos asociados con la transmisión lenta de señales. Los receptores metabotrópicos cubren una amplia variedad de receptores de superficie celular con diferentes cascadas de señalización particulares.

Receptores ionotrópicos thumb|350px|Representación prototípica del receptor ionotrópico en el caso del flujo del ion Ca2+ Los receptores ionotrópicos, también conocidos como canales iónicos dependientes de ligando, son rápidos receptores de acción que regulan la función neural y fisiológica por medio del flujo del canal iónico con la unión del ligando. Los receptores Nictoninc, GABA, y los receptores de glutamato son algunos de los receptores de superficie celular regulados por el flujo de canales iónicos dependientes de ligando. GABA es el principal neurotransmisor inhibidor en el cerebro y el glutamato es el principal neurotransmisor excitador del cerebro.

Receptores GABA Los receptores GABAA y GABAC son ionotrópicos, mientras que los receptores GABAB son metabotrópicos. Los receptores GABAA regulan las rápidas respuestas de inhibición en el sistema nervioso central (SNC) y son encontrados en las neuronas, células gliales y células de la médula adrenal. Es responsable de inducir el flujo hacia dentro de las células del ion Cl-, de ese modo reduce la probabilidad de que ocurra la despolarización de la membrana al ocurrir un potencial de gradiente o un potencial de acción. Los receptores GABA pueden también interaccionar con los ligandos no endógenos para influenciar en su actividad. Por ejemplo, el compuesto diazepam (comercializado como Valium) es un agonista alostérico que incrementa la afinidad del receptor GABA. El incremento de los efectos fisiológicos inhibitorios resultantes del incremento de la unión de GABA a su receptor, hace del diazepam un útil tranquilizante o antiepiléptico. Por el otro lado, los receptores GABA pueden ser el blanco al decrecer el flujo de Cl- hacia dentro de la célula con el efecto de convulsivos como la picrotoxina. El mecanismo de acción antagónico para este compuesto no es directamente sobre el receptor GABA, pero hay otros compuestos que son capaces de una inactivación alostérica, entre ellos está el T-butilbicicloforotionato (TBPS) y el pentilenetetrazol (PZT).

Comparado con GABAA, los receptores GABAC tienen una mayor afinidad a GABA, son de mayor duración en actividad, y su respuesta es generada por bajas concentraciones en GABA.

Receptores de glutamato

Los receptores de glutamato ionotrópicos pueden incluir a los receptores NMDA, AMPA, y al receptor de kainato. Estos receptores llevan el nombre de los agonistas que facilitan la actividad del glutamato. Los receptores de NMDA son notables por sus mecanismos excitatorios para afectar la plasticidad neuronal en el aprendizaje y memoria, así como en neuropatologías como un accidente cerebrovascular y epilepsia. Los receptores NMDA tienen múltiples sitios de unión como los receptores ionotrópicos GABA y pueden ser influenciados por co-agonistas como el neurotransmisor glicina o fenciclidina (PCP por sus siglas en inglés). Los receptores NDMA llevan una corriente por iones Ca2+ y pueden ser bloqueados por iones Mg2+ extracelulares dependiendo del voltaje y del potencial de membrana. Este flujo de iones Ca2+ hacia dentro de la célula es incrementado por el potencial excitatorio postsináptico (PEPS] producido por los receptores NMDA, activando las cascadas de señalización basadas en Ca2+ (como la liberación de neurotransmisores). AMPA genera flujos excitatorios postsinápticos más cortos y más largos que cualquier otro receptor ionotrópico de glutamato.

Receptores nicotínico ACh

El receptor nicotínico une el neurotransmisor acetilcolina para producir un flujo de canal catiónico no selectivo que genera respuestas excitatorias postsinápticas. La actividad del receptor, que puede ser influenciado por el consumo de nicotina, produce sentimientos de euforia, relajación, una inevitable adicción en altos niveles.

Receptores metabotrópicos thumb|350px|cascada de señalización del receptor de unión a proteína G Los receptores metabotrópicos son receptores de respuesta lenta en las células postsinápticas. Normalmente estas respuestas lentas son caracterizadas por cambios bioquímicos intracelulares más elaborados. Las respuestas de la captación de los neurotransmisores por receptores metatrópicos pueden resultar en la activación de enzimas intracelulares y cascadas involucrando a segundos mensajeros, como en el caso del receptor acoplado a proteínas G. Entre algunos receptores metatrópicos se pueden incluir ciertos receptores de glutamato, receptores muscarínicos ACh, receptores GABAB, y receptores de tirosina quinasa.

Receptores acoplados a proteína G