Los investigadores de fisiología humana saben desde hace tiempo que las células nerviosas individuales, también llamadas neuronas, son una de las pocas células con la capacidad de regenerarse y repararse a sí mismas. Una célula nerviosa transmite señales eléctricas a través de una protuberancia larga y estructural llamada axón. Cuando el axón se lesiona y se corta por completo, comienza a regenerarse y crecer hacia su otro extremo previamente cortado. A comienzos del siglo XXI, se había aprendido mucho sobre el proceso, pero con una certeza científica limitada sobre el mecanismo exacto, los investigadores han denominado a este campo de estudio estrechamente dirigido, la orientación axonal.
Se puede describir que una célula nerviosa tiene tres partes. El cuerpo principal de la célula, llamado soma, tiene muchas protuberancias pequeñas y ramificadas llamadas dendritas que recogen las firmas químicas de una señal eléctrica. Para transmitir la señal, el soma genera una carga eléctrica que pulsa a lo largo de otra protuberancia singular, su axón. Ya sea que se trate de una neurona motora para controlar el movimiento muscular, o una neurona sensorial para detectar un cosquilleo en la piel, un único axón microscópicamente delgado puede alcanzar desde un dedo del pie hasta la base de la columna vertebral. La cuestión fundamental de la guía del axón es cómo el axón en crecimiento y alargamiento activo de un nervio encuentra su camino hacia el lugar terminal correcto y extremadamente preciso.
La suposición errónea de que una célula está internamente preprogramada se descarta, ya que cada célula contiene el mismo conjunto de instrucciones genéticas. La conclusión es que debe ser una señal externa, principalmente química, en la que se está dirigiendo un axón. En consecuencia, la punta de un axón en crecimiento debe contener un receptor para reconocer la señal. Los investigadores creen que este es uno de los principales impulsores de la orientación del axón.
La punta de un axón en crecimiento o en regeneración se denomina cono de crecimiento. Se ha descubierto que esto desarrolla protuberancias inusuales y muy pequeñas llamadas filopodia que hacen contacto con el tejido circundante. Están buscando sustancias químicas llamadas moléculas de adhesión celular, que se encuentran principalmente en las paredes celulares de ciertos tipos de tejidos, que le indican al axón que se adhiera en este lugar y continúe buscando. Guiado así, un axón en regeneración puede crecer tanto como 0.08 – 0.2 pulgadas (2-5 mm) por día.
Los investigadores han descubierto que cada filopodia no solo es atraído por ciertos químicos, sino que también es repelido por otros. La detección de estos químicos acelera o ralentiza la tasa de crecimiento del axón, y la detección relativa de cada filopodia resulta en un crecimiento asimétrico. El axón es guiado químicamente para crecer en direcciones gradualmente corregidas. Sin embargo, una dificultad con este modelo de guía axonal es que los investigadores están catalogando numerosos químicos biológicos a los que reacciona el cono de crecimiento.
Naturalmente, la embriología o el estudio del desarrollo temprano de un organismo, se cruza con la investigación en la orientación del axón. Una teoría derivada de observar los huevos de gallinas y ranas sugiere que los axones crecen de acuerdo con una topografía espacial. La dispersión relativa de las señales químicas de la multitud de células nerviosas cercanas actúa como una especie de alineación magnética para organizar la dirección de crecimiento del axón. Otra teoría señala que la simetría bilateral de la mayoría de los animales complejos requiere que los axones encuentren puntos de decisión, llamados comisiones, para dirigirlos en direcciones radicalmente específicas como la derecha o la izquierda. Hay evidencia de ciertos tipos de células llamadas células de guía que incluyen otras células nerviosas en crecimiento, que tienen este efecto.
El sistema nervioso humano puede subdividirse en el sistema nervioso central, que consiste en el cerebro y la médula espinal, y el sistema nervioso periférico que se ramifica por todo el cuerpo. Hay mucho que aprender sobre cómo las células nerviosas del cerebro y la médula espinal se regeneran y reparan. Se supone que una mejor comprensión del proceso más fácilmente observable de regeneración de los nervios periféricos conducirá a posibles terapias para las lesiones cerebrales y espinales.