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Desarrollo del sistema nervioso.

El desarrollo del sistema nervioso , o desarrollo neuronal ( neurodesarrollo ), se refiere a los procesos que generan, dan forma y remodelan el sistema nervioso de los animales, desde las primeras etapas del desarrollo embrionario hasta la edad adulta. El campo del desarrollo neuronal se basa tanto en la neurociencia como en la biología del desarrollo para describir y proporcionar información sobre los mecanismos celulares y moleculares mediante los cuales se desarrollan sistemas nerviosos complejos, desde nematodos y moscas de la fruta hasta mamíferos .

Los defectos en el desarrollo neuronal pueden provocar malformaciones como la holoprosencefalia y una amplia variedad de trastornos neurológicos que incluyen paresia y parálisis de las extremidades , trastornos del equilibrio y de la visión y convulsiones , [1] y en humanos otros trastornos como el síndrome de Rett , el síndrome de Down y el síndrome intelectual. discapacidad . [2]

Descripción general del desarrollo del cerebro de los vertebrados

Diagrama del sistema nervioso de los vertebrados.

El sistema nervioso central (SNC) de los vertebrados se deriva del ectodermo , la capa germinal más externa del embrión. Una parte del ectodermo dorsal se convierte en ectodermo neural, un neuroectodermo que forma la placa neural a lo largo del lado dorsal del embrión. [3] [4] Esto es parte del patrón temprano del embrión (incluido el embrión de invertebrados) que también establece un eje anteroposterior. [5] [6] La placa neural es la fuente de la mayoría de las neuronas y células gliales del SNC. El surco neural se forma a lo largo del eje longitudinal de la placa neural, y la placa neural se pliega para dar lugar al tubo neural . [7] Cuando el tubo se cierra en ambos extremos, se llena de líquido cefalorraquídeo embrionario. [8] A medida que el embrión se desarrolla, la parte anterior del tubo neural se expande y forma tres vesículas cerebrales primarias , que se convierten en el prosencéfalo ( prosencéfalo ), el mesencéfalo ( mesencéfalo ) y el rombencéfalo ( rombencéfalo ). Estas vesículas simples y tempranas se agrandan y se dividen en telencéfalo (futuros corteza cerebral y ganglios basales ), diencéfalo (futuros tálamo e hipotálamo ), mesencéfalo (futuros colículos ), metencéfalo (futuros puentes y cerebelo ) y mielencéfalo (futuros bulbos ). [9] La cámara central llena de LCR es continua desde el telencéfalo hasta el canal central de la médula espinal y constituye el sistema ventricular en desarrollo del SNC. El líquido cefalorraquídeo embrionario difiere del que se forma en etapas posteriores del desarrollo y del LCR del adulto; Influye en el comportamiento de los precursores neuronales. [8] Debido a que el tubo neural da lugar al cerebro y la médula espinal, cualquier mutación en esta etapa del desarrollo puede provocar deformidades fatales como la anencefalia o discapacidades de por vida como la espina bífida . Durante este tiempo, las paredes del tubo neural contienen células madre neurales., que impulsan el crecimiento del cerebro a medida que se dividen muchas veces. Poco a poco algunas de las células dejan de dividirse y se diferencian en neuronas y células gliales , que son los principales componentes celulares del SNC. [10] Las neuronas recién generadas migran a diferentes partes del cerebro en desarrollo para autoorganizarse en diferentes estructuras cerebrales. Una vez que las neuronas han alcanzado sus posiciones regionales, extienden axones y dendritas , que les permiten comunicarse con otras neuronas a través de sinapsis . La comunicación sináptica entre neuronas conduce al establecimiento de circuitos neuronales funcionales que median en el procesamiento sensorial y motor y subyacen al comportamiento. [11]

Diagrama de flujo del desarrollo del cerebro humano.

Aspectos

Algunos hitos del desarrollo neuronal incluyen el nacimiento y diferenciación de neuronas a partir de precursores de células madre , la migración de neuronas inmaduras desde sus lugares de nacimiento en el embrión hasta sus posiciones finales, el crecimiento de axones y dendritas de las neuronas, la guía del cono de crecimiento móvil a través del embrión. hacia socios postsinápticos, la generación de sinapsis entre estos axones y sus socios postsinápticos y, finalmente, los cambios de por vida en las sinapsis, que se cree que son la base del aprendizaje y la memoria.

Normalmente, estos procesos de desarrollo neurológico se pueden dividir en dos clases: mecanismos independientes de la actividad y mecanismos dependientes de la actividad . Generalmente se cree que los mecanismos independientes de la actividad ocurren como procesos programados determinados por programas genéticos que se desarrollan dentro de neuronas individuales. Estos incluyen diferenciación , migración y guía de axones a sus áreas objetivo iniciales. Se piensa que estos procesos son independientes de la actividad neuronal y la experiencia sensorial. Una vez que los axones alcanzan sus áreas objetivo, entran en juego mecanismos dependientes de la actividad. Aunque la formación de sinapsis es un evento independiente de la actividad, la modificación de las sinapsis y la eliminación de las sinapsis requieren actividad neuronal.

La neurociencia del desarrollo utiliza una variedad de modelos animales , incluido el ratón Mus musculus , la mosca de la fruta Drosophila melanogaster , el pez cebra Danio rerio , la rana Xenopus laevis y el gusano redondo Caenorhabditis elegans .

La mielinización , la formación de la vaina lipídica de mielina alrededor de los axones neuronales, es un proceso esencial para el funcionamiento normal del cerebro. La vaina de mielina proporciona aislamiento al impulso nervioso cuando se comunican entre sistemas neuronales. Sin él, el impulso se vería interrumpido y la señal no llegaría a su objetivo, perjudicando así su funcionamiento normal. Debido a que gran parte del desarrollo cerebral ocurre en la etapa prenatal y en la infancia, es crucial que la mielinización, junto con el desarrollo cortical, se produzca de manera adecuada. La resonancia magnética (MRI) es una técnica no invasiva que se utiliza para investigar la mielinización y la maduración cortical (la corteza es la capa externa del cerebro compuesta de materia gris ). En lugar de mostrar la mielina real, la resonancia magnética detecta la fracción de agua de mielina, una medida del contenido de mielina. La relaxometría multicomponente (MCR) permite la visualización y cuantificación del contenido de mielina. MCR también es útil para rastrear la maduración de la materia blanca, que desempeña un papel importante en el desarrollo cognitivo. Se ha descubierto que en la infancia, la mielinización se produce en un patrón caudal-craneal, de posterior a anterior. Debido a que hay poca evidencia de una relación entre la mielinización y el espesor cortical, se reveló que el espesor cortical es independiente de la materia blanca. Esto permite que varios aspectos del cerebro crezcan simultáneamente, lo que lleva a un cerebro más desarrollado. [12]

inducción neuronal

Durante el desarrollo embrionario temprano de los vertebrados, el ectodermo dorsal se especifica para dar origen a la epidermis y el sistema nervioso; Una parte del ectodermo dorsal pasa a formar parte del ectodermo neural para formar la placa neural que da origen al sistema nervioso. [3] [13] La conversión de ectodermo indiferenciado en neuroectodermo requiere señales del mesodermo . Al inicio de la gastrulación, las presuntas células mesodérmicas se mueven a través del labio dorsal del blastoporo y forman una capa de mesodermo entre el endodermo y el ectodermo. Las células mesodérmicas migran a lo largo de la línea media dorsal para dar lugar a la notocorda que se desarrolla en la columna vertebral . El neuroectodermo que recubre la notocorda se convierte en la placa neural en respuesta a una señal difusible producida por la notocorda. El resto del ectodermo da origen a la epidermis. La capacidad del mesodermo para convertir el ectodermo suprayacente en tejido neural se denomina inducción neural .

En el embrión temprano, la placa neural se pliega hacia afuera para formar el surco neural . A partir de la futura región del cuello, los pliegues neurales de este surco se cierran para formar el tubo neural . La formación del tubo neural a partir del ectodermo se llama neurulación . La parte ventral del tubo neural se llama placa basal ; la parte dorsal se llama placa alar . El interior hueco se llama canal neural y los extremos abiertos del tubo neural, llamados neuroporos, se cierran. [14]

Un labio de blastoporo trasplantado puede convertir el ectodermo en tejido neural y se dice que tiene un efecto inductivo. Los inductores neuronales son moléculas que pueden inducir la expresión de genes neuronales en explantes de ectodermo sin inducir también genes mesodérmicos. La inducción neuronal se estudia a menudo en embriones de Xenopus , ya que tienen un plan corporal simple y existen buenos marcadores para distinguir entre tejido neuronal y no neuronal. Ejemplos de inductores neuronales son las moléculas noggin y chordin .

Cuando las células ectodérmicas embrionarias se cultivan a baja densidad en ausencia de células mesodérmicas, se someten a diferenciación neural (expresan genes neurales), lo que sugiere que la diferenciación neural es el destino predeterminado de las células ectodérmicas. En los cultivos de explantes (que permiten interacciones directas entre células), las mismas células se diferencian en epidermis. Esto se debe a la acción de BMP4 (una proteína de la familia TGF-β ) que induce a los cultivos ectodérmicos a diferenciarse en epidermis. Durante la inducción neural, el mesodermo dorsal (notocorda) produce noggin y cordina y se difunden hacia el ectodermo suprayacente para inhibir la actividad de BMP4. Esta inhibición de BMP4 hace que las células se diferencien en células neurales. "La inhibición de la señalización de TGF-β y BMP (proteína morfogenética ósea) puede inducir eficientemente tejido neural a partir de células madre pluripotentes ". [15]

Regionalización

En una etapa posterior del desarrollo, la parte superior del tubo neural se flexiona al nivel del futuro mesencéfalo: el mesencéfalo , en la flexión mesencefálica o flexión cefálica . Por encima del mesencéfalo está el prosencéfalo (futuro prosencéfalo) y debajo está el rombencéfalo (futuro rombencéfalo).

La placa alar del prosencéfalo se expande para formar el telencéfalo que da lugar a los hemisferios cerebrales , mientras que su placa basal se convierte en el diencéfalo . La vesícula óptica (que eventualmente se convertirá en el nervio óptico, la retina y el iris) se forma en la placa basal del prosencéfalo.

Patrones del sistema nervioso.

En los cordados , el ectodermo dorsal forma todo el tejido neural y el sistema nervioso. El patrón se produce debido a condiciones ambientales específicas: diferentes concentraciones de moléculas de señalización.

Eje dorsoventral

La mitad ventral de la placa neural está controlada por la notocorda , que actúa como "organizadora". La mitad dorsal está controlada por la placa del ectodermo , que flanquea a ambos lados de la placa neural. [dieciséis]

El ectodermo sigue un camino predeterminado para convertirse en tejido neural. La evidencia de esto proviene de células individuales cultivadas de ectodermo, que luego forman tejido neural. Se supone que esto se debe a la falta de BMP , que están bloqueadas por el organizador. El organizador puede producir moléculas como folistatina , noggin y chordin que inhiben las BMP.

El tubo neural ventral está modelado por Sonic hedgehog (Shh) de la notocorda, que actúa como tejido inductor. Shh derivada de notocorda envía señales a la placa del piso e induce la expresión de Shh en la placa del piso. Posteriormente, Shh procedente de la placa del suelo envía señales a otras células del tubo neural y es esencial para la especificación adecuada de los dominios progenitores de las neuronas ventrales. La pérdida de Shh de la notocorda y/o la placa del suelo impide la especificación adecuada de estos dominios progenitores. Shh se une a Patched1 , aliviando la inhibición de Smoothened mediada por Patched , lo que lleva a la activación de la familia Gli de factores de transcripción ( GLI1 , GLI2 y GLI3 ).

En este contexto, Shh actúa como un morfógeno : induce la diferenciación celular dependiendo de su concentración. En concentraciones bajas forma interneuronas ventrales , en concentraciones más altas induce el desarrollo de neuronas motoras y en concentraciones más altas induce la diferenciación de las placas del piso. "El fracaso de la diferenciación modulada por Shh causa holoprosencefalia ".

El tubo neural dorsal está modelado por BMP del ectodermo epidérmico que flanquea la placa neural. Estos inducen interneuronas sensoriales activando las quinasas Sr/Thr y alterando los niveles del factor de transcripción SMAD .

Eje rostrocaudal (anteroposterior)

Las señales que controlan el desarrollo neural anteroposterior incluyen el FGF y el ácido retinoico , que actúan en el rombencéfalo y la médula espinal. [17] El rombencéfalo, por ejemplo, está modelado por genes Hox , que se expresan en dominios superpuestos a lo largo del eje anteroposterior bajo el control del ácido retinoico. Los genes 3 ′ (3 extremos primarios) en el grupo Hox son inducidos por ácido retinoico en el rombencéfalo, mientras que los genes Hox 5 ′ (5 extremos primarios) no son inducidos por ácido retinoico y se expresan más posteriormente en la médula espinal. Hoxb-1 se expresa en el rombómero 4 y da origen al nervio facial . Sin esta expresión de Hoxb-1, surge un nervio similar al nervio trigémino .

Neurogénesis

La neurogénesis es el proceso mediante el cual se generan neuronas a partir de células madre neurales y células progenitoras . Las neuronas son "postmitóticas", lo que significa que nunca más se dividirán durante la vida del organismo. [11]

Las modificaciones epigenéticas desempeñan un papel clave en la regulación de la expresión genética en la diferenciación de las células madre neurales y son fundamentales para la determinación del destino celular en el cerebro de los mamíferos adultos y en desarrollo. Las modificaciones epigenéticas incluyen la metilación de la citosina del ADN para formar 5-metilcitosina y la desmetilación de 5-metilcitosina . [18] [19] La metilación de la citosina del ADN es catalizada por las ADN metiltransferasas (DNMT) . La desmetilación de la metilcitosina es catalizada en varios pasos secuenciales por enzimas TET que llevan a cabo reacciones oxidativas (p. ej., 5-metilcitosina a 5-hidroximetilcitosina ) y enzimas de la vía de reparación por escisión de bases del ADN (BER). [18]

Migración neuronal

Corticogénesis : las neuronas más jóvenes migran más allá de las más viejas utilizando la glía radial como andamio. Las células de Cajal-Retzius (rojas) liberan reelina (naranja).

La migración neuronal es el método por el cual las neuronas viajan desde su origen o lugar de nacimiento hasta su posición final en el cerebro. Hay varias formas de hacerlo, por ejemplo, mediante migración radial o migración tangencial. Se han capturado secuencias de migración radial (también conocida como guía glial) y translocación somal mediante microscopía de lapso de tiempo . [20]

Migración tangencial de interneuronas desde la eminencia ganglionar.

Migración radial

Las células precursoras neuronales proliferan en la zona ventricular del neocórtex en desarrollo , donde la principal célula madre neural es la célula glial radial . Las primeras células posmitóticas deben abandonar el nicho de células madre y migrar hacia afuera para formar la preplaca, que está destinada a convertirse en células de Cajal-Retzius y neuronas de subplaca . Estas células lo hacen por translocación somal. Las neuronas que migran con este modo de locomoción son bipolares y unen el borde delantero del proceso a la piamadre . Luego, el soma se transporta a la superficie pial mediante nucleocinesis, un proceso mediante el cual una "jaula" de microtúbulos alrededor del núcleo se alarga y se contrae en asociación con el centrosoma para guiar el núcleo hacia su destino final. [21] Las células gliales radiales , cuyas fibras sirven como andamio para las células migratorias y un medio de comunicación radial mediada por la actividad dinámica del calcio, [22] [23] actúan como la principal célula madre neuronal excitadora de la corteza cerebral [24] [ 25] o translocarse a la placa cortical y diferenciarse en astrocitos o neuronas . [26] La translocación somal puede ocurrir en cualquier momento durante el desarrollo. [20]

Las ondas posteriores de neuronas dividen la preplaca migrando a lo largo de fibras gliales radiales para formar la placa cortical. Cada ola de células migratorias viaja más allá de sus predecesoras formando capas de adentro hacia afuera, lo que significa que las neuronas más jóvenes son las más cercanas a la superficie. [27] [28] Se estima que la migración guiada por glial representa el 90% de las neuronas migratorias en humanos y alrededor del 75% en roedores. [29]

Migración tangencial

La mayoría de las interneuronas migran tangencialmente a través de múltiples modos de migración para alcanzar su ubicación apropiada en la corteza. Un ejemplo de migración tangencial es el movimiento de interneuronas desde la eminencia ganglionar hasta la corteza cerebral. Un ejemplo de migración tangencial en curso en un organismo maduro, observado en algunos animales, es la corriente migratoria rostral que conecta la zona subventricular y el bulbo olfatorio .

Migración axófila

Muchas neuronas que migran a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo utilizan los tractos axónicos existentes para migrar; esto se llama migración axófila. Un ejemplo de este modo de migración son las neuronas que expresan GnRH , que realizan un largo viaje desde su lugar de nacimiento en la nariz, a través del prosencéfalo y hasta el hipotálamo. [30] Muchos de los mecanismos de esta migración se han resuelto, comenzando con las señales de guía extracelulares [31] que desencadenan la señalización intracelular. Estas señales intracelulares, como la señalización del calcio , conducen a la dinámica citoesquelética de actina [32] y microtúbulos [33] , que producen fuerzas celulares que interactúan con el entorno extracelular a través de proteínas de adhesión celular [34] para provocar el movimiento de estas células.

Migración multipolar

También existe un método de migración neuronal llamado migración multipolar . [35] [36] Esto se observa en las células multipolares, que en el ser humano están abundantemente presentes en la zona intermedia cortical . No se parecen a las células que migran por locomoción o translocación somal. En cambio, estas células multipolares expresan marcadores neuronales y extienden múltiples procesos delgados en varias direcciones independientemente de las fibras gliales radiales. [35]

Factores neurotróficos

La supervivencia de las neuronas está regulada por factores de supervivencia, llamados factores tróficos. La hipótesis neurotrófica fue formulada por Victor Hamburger y Rita Levi Montalcini basándose en estudios del sistema nervioso en desarrollo. Victor Hamburger descubrió que implantar una extremidad adicional en el polluelo en desarrollo conducía a un aumento en el número de neuronas motoras espinales. Inicialmente pensó que la extremidad adicional inducía la proliferación de neuronas motoras, pero más tarde él y sus colegas demostraron que había una gran cantidad de muerte de neuronas motoras durante el desarrollo normal, y la extremidad adicional impedía esta muerte celular. Según la hipótesis neurotrófica, los axones en crecimiento compiten por cantidades limitadas de factores tróficos derivados del objetivo y los axones que no reciben suficiente apoyo trófico mueren por apoptosis. Ahora está claro que los factores producidos por diversas fuentes contribuyen a la supervivencia neuronal.

Formación de sinapsis

Unión neuromuscular

Gran parte de nuestro conocimiento sobre la formación de sinapsis proviene de estudios en la unión neuromuscular. El transmisor en esta sinapsis es la acetilcolina. El receptor de acetilcolina (AchR) está presente en la superficie de las células musculares antes de la formación de sinapsis. La llegada del nervio induce la agrupación de los receptores en la sinapsis. McMahan y Sanes demostraron que la señal sinaptogénica se concentra en la lámina basal . También demostraron que la señal sinaptogénica es producida por el nervio e identificaron el factor como Agrin . Agrin induce la agrupación de AchR en la superficie del músculo y la formación de sinapsis se interrumpe en ratones knockout para agrin. "Agrin transduce la señal a través del receptor MuSK a rapsyn ". Fischbach y sus colegas demostraron que las subunidades del receptor se transcriben selectivamente desde los núcleos próximos al sitio sináptico. Esto está mediado por neuregulinas.

En la sinapsis madura, cada fibra muscular está inervada por una neurona motora. Sin embargo, durante el desarrollo, muchas de las fibras están inervadas por múltiples axones. Lichtman y sus colegas han estudiado el proceso de eliminación de sinapsis. [37] Este es un evento que depende de la actividad. El bloqueo parcial del receptor conduce a la retracción de las terminales presinápticas correspondientes. Posteriormente utilizaron un enfoque conectómico, es decir, rastreando todas las conexiones entre las neuronas motoras y las fibras musculares, para caracterizar la eliminación de las sinapsis del desarrollo a nivel de un circuito completo. El análisis confirmó el recableado masivo, una disminución de 10 veces en el número de sinapsis, que tiene lugar cuando los axones podan sus unidades motoras pero agregan más áreas sinápticas en las UNM con las que permanecen en contacto. [38]

sinapsis del sistema nervioso central

Agrin parece no ser un mediador central de la formación de sinapsis del SNC y existe un interés activo en identificar señales que median la sinaptogénesis del SNC. Las neuronas en cultivo desarrollan sinapsis similares a las que se forman in vivo, lo que sugiere que las señales sinaptogénicas pueden funcionar correctamente in vitro. Los estudios de sinaptogénesis del SNC se han centrado principalmente en las sinapsis glutamatérgicas. Los experimentos de imágenes muestran que las dendritas son muy dinámicas durante el desarrollo y, a menudo, inician contacto con los axones. A esto le sigue el reclutamiento de proteínas postsinápticas en el sitio de contacto. Stephen Smith y sus colegas han demostrado que el contacto iniciado por filopodios dendríticos puede convertirse en sinapsis.

Inducción de la formación de sinapsis mediante factores gliales: Barres y sus colegas observaron que los factores en los medios condicionados por la glial inducen la formación de sinapsis en cultivos de células ganglionares de la retina. La formación de sinapsis en el SNC se correlaciona con la diferenciación de astrocitos, lo que sugiere que los astrocitos podrían proporcionar un factor sinaptogénico. Aún no se conoce la identidad de los factores astrocíticos.

Neuroliginas y SynCAM como señales sinaptogénicas: Sudhof, Serafini, Scheiffele y colegas han demostrado que las neuroliginas y SynCAM pueden actuar como factores que inducen la diferenciación presináptica. Las neuroliginas se concentran en el sitio postsináptico y actúan a través de neurexinas concentradas en los axones presinápticos. SynCAM es una molécula de adhesión celular que está presente en las membranas presinápticas y postsinápticas.

Mecanismos dependientes de la actividad en el ensamblaje de circuitos neuronales.

Generalmente se cree que los procesos de migración neuronal , diferenciación y guía de axones son mecanismos independientes de la actividad y dependen de programas genéticos integrados en las propias neuronas. Sin embargo, los resultados de la investigación han implicado un papel de los mecanismos dependientes de la actividad en la mediación de algunos aspectos de estos procesos, como la tasa de migración neuronal, [39] aspectos de la diferenciación neuronal [40] y la búsqueda de rutas de axones. [41] Los mecanismos dependientes de la actividad influyen en el desarrollo del circuito neuronal y son cruciales para diseñar mapas de conectividad tempranos y el refinamiento continuo de las sinapsis que ocurre durante el desarrollo. [42] Hay dos tipos distintos de actividad neuronal que observamos en los circuitos en desarrollo: actividad espontánea temprana y actividad evocada sensorialmente. La actividad espontánea ocurre temprano durante el desarrollo del circuito neuronal incluso cuando la información sensorial está ausente y se observa en muchos sistemas, como el sistema visual en desarrollo , [43] [44] el sistema auditivo , [45] [46] el sistema motor , [47] el hipocampo , [48] ​​cerebelo [49] y neocorteza . [50]

Técnicas experimentales como el registro electrofisiológico directo, las imágenes de fluorescencia utilizando indicadores de calcio y las técnicas optogenéticas han arrojado luz sobre la naturaleza y función de estos primeros estallidos de actividad. [51] [52] Tienen distintos patrones espaciales y temporales durante el desarrollo [53] y se sabe que su ablación durante el desarrollo produce déficits en el refinamiento de la red en el sistema visual. [54] En la retina inmadura , ondas de potenciales de acción espontáneos surgen de las células ganglionares de la retina y recorren la superficie de la retina en las primeras semanas posnatales. [55] Estas ondas están mediadas por el neurotransmisor acetilcolina en la fase inicial y posteriormente por el glutamato . [56] Se cree que instruyen la formación de dos mapas sensoriales: el mapa retinotópico y la segregación específica del ojo. [57] El refinamiento del mapa retinotópico ocurre en objetivos visuales posteriores en el cerebro: el colículo superior (SC) y el núcleo geniculado lateral dorsal (LGN). [58] La alteración farmacológica y los modelos de ratón que carecen de la subunidad β2 del receptor nicotínico de acetilcolina han demostrado que la falta de actividad espontánea conduce a defectos marcados en la retinotopía y la segregación específica del ojo. [57]

Estudios recientes confirman que la microglia , la célula inmune residente del cerebro, establece contactos directos con los cuerpos celulares de las neuronas en desarrollo y, a través de estas conexiones, regula la neurogénesis, la migración, la integración y la formación de redes neuronales de una manera dependiente de la actividad. [59]

En el sistema auditivo en desarrollo , la cóclea en desarrollo genera ráfagas de actividad que se extiende a través de las células ciliadas internas y las neuronas ganglionares espirales que transmiten información auditiva al cerebro. [60] La liberación de ATP de las células de soporte desencadena potenciales de acción en las células ciliadas internas . [61] En el sistema auditivo, se cree que la actividad espontánea está involucrada en la formación de mapas tonotópicos mediante la segregación de axones de neuronas cocleares sintonizados a frecuencias altas y bajas. [60] En el sistema motor, los estallidos periódicos de actividad espontánea son impulsados ​​por el GABA excitador y el glutamato durante las primeras etapas y por la acetilcolina y el glutamato en las etapas posteriores. [62] En la médula espinal del pez cebra en desarrollo , se requiere actividad espontánea temprana para la formación de ráfagas alternas cada vez más sincrónicas entre las regiones ipsilaterales y contralaterales de la médula espinal y para la integración de nuevas células en el circuito. [63] Se cree que las neuronas motoras que inervan las mismas fibras musculares de contracción mantienen una actividad sincrónica que permite que ambas neuronas permanezcan en contacto con la fibra muscular en la edad adulta. [38] En la corteza , se han observado ondas tempranas de actividad en el cerebelo y los cortes corticales. [64] Una vez que el estímulo sensorial está disponible, el ajuste final de los mapas de codificación sensorial y el refinamiento de los circuitos comienza a depender cada vez más de la actividad evocada sensorialmente, como lo demuestran los experimentos clásicos sobre los efectos de la privación sensorial durante los períodos críticos . [64]

Las técnicas contemporáneas de resonancia magnética ponderada por difusión también pueden descubrir el proceso macroscópico del desarrollo axonal. El conectoma se puede construir a partir de datos de resonancia magnética de difusión : los vértices del gráfico corresponden a áreas de materia gris anatómicamente etiquetadas, y dos de esos vértices, digamos u y v , están conectados por un borde si la fase de tractografía del procesamiento de datos encuentra una fibra axonal. que conecta las dos áreas, correspondientes a u y v .

Dinámica del conectoma de consenso

Se pueden descargar numerosas neurografías, calculadas a partir del Proyecto Human Connectome, desde el sitio http://braingraph.org. El Consensus Connectome Dynamics (CCD) es un fenómeno notable que se descubrió al disminuir continuamente el parámetro de confianza mínimo en la interfaz gráfica del Budapest Reference Connectome Server. [65] [66] El Budapest Reference Connectome Server (http://connectome.pitgroup.org) representa las conexiones cerebrales de n=418 sujetos con un parámetro de frecuencia k: Para cualquier k=1,2,..., n se puede ver la gráfica de los bordes que están presentes en al menos k conectomas. Si el parámetro k se reduce uno por uno desde k=n hasta k=1, aparecerán cada vez más aristas en el gráfico, ya que la condición de inclusión se relaja. La observación sorprendente es que la apariencia de los bordes está lejos de ser aleatoria: se asemeja a una estructura compleja y en crecimiento, como un árbol o un arbusto (visualizado en la animación de la izquierda).

En [67] se plantea la hipótesis de que la estructura en crecimiento copia el desarrollo axonal del cerebro humano : las conexiones en desarrollo más tempranas (fibras axonales) son comunes en la mayoría de los sujetos, y las conexiones que se desarrollan posteriormente tienen una variación cada vez mayor, porque sus variaciones se acumulan en el proceso de desarrollo axonal.

Eliminación de sinapsis

Varias neuronas motoras compiten por cada unión neuromuscular, pero sólo una sobrevive hasta la edad adulta. [37] Se ha demostrado que la competencia in vitro implica una sustancia neurotrófica limitada que se libera, o que la actividad neuronal infiere una ventaja para las conexiones postsinápticas fuertes al dar resistencia a una toxina que también se libera tras la estimulación nerviosa. In vivo , se sugiere que las fibras musculares seleccionan la neurona más fuerte a través de una señal retrógrada o que los mecanismos de eliminación de sinapsis dependientes de la actividad determinan la identidad del axón "ganador" en una placa terminal motora. [38]

Cartografía

El mapeo cerebral puede mostrar cómo cambia el cerebro de un animal a lo largo de su vida. A partir de 2021, los científicos mapearon y compararon los cerebros completos de ocho gusanos C. elegans a lo largo de su desarrollo a nivel neuronal [68] [69] y el cableado completo de un solo músculo de mamífero desde el nacimiento hasta la edad adulta. [38]

Neurogénesis adulta

La neurogénesis también ocurre en partes específicas del cerebro adulto.

Ver también

Referencias

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