La plasticidad del desarrollo es un término general que se refiere a los cambios en las conexiones neuronales durante el desarrollo como resultado de las interacciones ambientales, así como a los cambios neuronales inducidos por el aprendizaje. [1] Al igual que la neuroplasticidad o plasticidad cerebral, la plasticidad del desarrollo es específica del cambio en las neuronas y las conexiones sinápticas como consecuencia de los procesos de desarrollo. Un niño crea la mayoría de estas conexiones desde el nacimiento hasta la primera infancia. Hay tres métodos principales por los cuales esto puede ocurrir a medida que el cerebro se desarrolla, [ cita requerida ] pero los períodos críticos determinan cuándo pueden formarse cambios duraderos. La plasticidad del desarrollo también puede usarse en lugar del término plasticidad fenotípica cuando un organismo en una etapa embrionaria o larvaria puede alterar su fenotipo en función de factores ambientales. [2] Sin embargo, una diferencia principal entre los dos es que la plasticidad fenotípica experimentada durante la edad adulta puede ser reversible, mientras que los rasgos que se consideran plásticos desde el punto de vista del desarrollo establecen bases durante el desarrollo temprano que permanecen durante toda la vida del organismo. [3]
Durante el desarrollo , el sistema nervioso central adquiere información a través de factores endógenos o exógenos, así como de experiencias de aprendizaje. Al adquirir y almacenar dicha información, la naturaleza plástica del sistema nervioso central permite la adaptación de las conexiones neuronales existentes para dar cabida a nueva información y experiencias, lo que da lugar a la plasticidad del desarrollo. Esta forma de plasticidad que se produce durante el desarrollo es el resultado de tres mecanismos predominantes: la plasticidad sináptica y homeostática, y el aprendizaje. [ cita requerida ]
El principio subyacente de la plasticidad sináptica es que las sinapsis experimentan un fortalecimiento o debilitamiento selectivo y dependiente de la actividad para que se pueda almacenar nueva información. [4] [5] La plasticidad sináptica depende de numerosos factores, incluido el umbral del estímulo presináptico, además de las concentraciones relativas de moléculas de neurotransmisores. La plasticidad sináptica se ha implicado durante mucho tiempo por su papel en el almacenamiento de la memoria y se cree que juega un papel clave en el aprendizaje. [6] [5] Sin embargo, durante los períodos de desarrollo, la plasticidad sináptica es de particular importancia, ya que los cambios en la red de conexiones sinápticas pueden, en última instancia, conducir a cambios en los hitos del desarrollo. Por ejemplo, la sobreproducción inicial de sinapsis durante el desarrollo es clave para la plasticidad que ocurre en las cortezas visual y auditiva. [7] En experimentos realizados por Hubel y Wiesel , la corteza visual de los gatitos exhibe plasticidad sináptica en el refinamiento de las conexiones neuronales después de las entradas visuales. En consecuencia, en ausencia de tales estímulos durante el desarrollo, el campo visual no se desarrolla adecuadamente y puede dar lugar a estructuras y comportamientos anormales. [8] Además, la investigación sugiere que esta sobreproducción inicial de sinapsis durante los períodos de desarrollo proporciona la base sobre la cual se pueden formar muchas conexiones sinápticas, lo que da como resultado una mayor plasticidad sináptica. De la misma manera que las sinapsis son abundantes durante el desarrollo, también existen mecanismos de refinamiento que ayudan a la maduración de las sinapsis en los circuitos neuronales. Este proceso regulador permite el fortalecimiento de las conexiones sinápticas importantes o de uso frecuente al tiempo que reduce la cantidad de conexiones débiles. [9]
Para mantener el equilibrio, existen controles homeostáticos que regulan la actividad general de los circuitos neuronales, en particular regulando los efectos desestabilizadores de los procesos de desarrollo y aprendizaje que dan lugar a cambios en la fuerza sináptica. La plasticidad homeostática también ayuda a regular las respuestas excitatorias prolongadas, que conducen a una reducción de todas las respuestas sinápticas de una neurona. [10] Recientemente se han asociado numerosas vías con la plasticidad homeostática, aunque todavía no existe un mecanismo molecular claro. El escalamiento sináptico es un método que sirve como un tipo de autorregulación, ya que las neuronas pueden reconocer sus propias tasas de activación y notar cuándo hay alteraciones; las señales dependientes del calcio controlan los niveles de receptores de glutamato en los sitios sinápticos en respuesta. Los mecanismos homeostáticos pueden ser locales o de toda la red. [11]
Aunque se considera que la plasticidad sináptica es un subproducto del aprendizaje, este implica la interacción con el entorno para adquirir nueva información o comportamiento; la plasticidad sináptica simplemente representa el cambio en la fuerza o configuración de los circuitos neuronales. [12] El aprendizaje es crucial, ya que existe una interacción considerable con el entorno, que es cuando el potencial para adquirir nueva información es mayor. Al depender en gran medida de experiencias selectivas, las conexiones neuronales se alteran y fortalecen de una manera que es única para esas experiencias. [13] Experimentalmente, esto se puede ver cuando las ratas se crían en un entorno que permite una amplia interacción social, lo que resulta en un aumento del peso del cerebro y el grosor cortical. En contraste, se observa lo inverso después de la crianza en un entorno desprovisto de interacción. [14] Además, el aprendizaje juega un papel considerable en la adquisición selectiva de información y se demuestra notablemente cuando los niños desarrollan un idioma en lugar de otro. Otro ejemplo de dicha plasticidad dependiente de la experiencia que es crítica durante el desarrollo es la aparición de la impronta . Esto ocurre como resultado de que un niño pequeño o un animal se exponga a un estímulo novedoso e implemente rápidamente un determinado comportamiento en respuesta. [15]
La formación del sistema nervioso es uno de los eventos más cruciales en el desarrollo del embrión. La diferenciación de los precursores de células madre en neuronas especializadas da lugar a la formación de sinapsis y circuitos neuronales, que es clave para el principio de plasticidad. [16] Durante este punto crucial del desarrollo, los procesos de desarrollo consecuentes, como la diferenciación y especialización de las neuronas, son altamente sensibles a factores exógenos y endógenos. [17] Por ejemplo, la exposición a la nicotina en el útero se ha relacionado con efectos adversos, como déficits físicos y cognitivos graves, debido al impedimento de la activación normal del receptor de acetilcolina. En un estudio reciente, se evaluó la conexión entre dicha exposición a la nicotina y el desarrollo prenatal. Se determinó que la exposición a la nicotina en el desarrollo temprano puede tener un efecto duradero y abarcador en las estructuras neuronales, que subyace a los defectos conductuales y cognitivos observados en humanos y animales expuestos. Además, cuando la función sináptica adecuada se altera por la exposición a la nicotina, el circuito general puede volverse menos sensible y receptivo a los estímulos, lo que resulta en una plasticidad compensatoria del desarrollo. [18] Es por esta razón que la exposición a diversos factores ambientales durante los períodos de desarrollo puede causar efectos profundos en el funcionamiento neuronal posterior.
Las etapas iniciales del desarrollo neuronal comienzan temprano en el feto con la activación espontánea de la neurona en desarrollo. [19] Estas conexiones tempranas son débiles y a menudo se superponen en los extremos terminales de las arborizaciones. [20] Las neuronas jóvenes tienen potencial completo de cambiar la morfología durante un lapso de tiempo clasificado como el período crítico para lograr conexiones sinápticas fortalecidas y refinadas. Es durante este tiempo que las conexiones neuronales dañadas pueden recuperarse funcionalmente. Pueden ocurrir grandes alteraciones en la longitud y la ubicación de estas neuronas hasta que se defina mejor el circuito sináptico. [21] Aunque la organización de las conexiones neuronales comienza en las primeras etapas del desarrollo, el refinamiento impulsado por la actividad solo comienza en el nacimiento cuando las neuronas individuales pueden reconocerse como entidades separadas y comienzan a mejorar en especificidad. [22] La poda gradual de la ramificación axonal inicialmente borrosa ocurre a través de mecanismos competitivos y facilitadores, que dependen de la actividad eléctrica en las sinapsis; los axones que se activan independientemente unos de otros tienden a competir por el territorio, mientras que los axones que se activan sincrónicamente amplifican mutuamente las conexiones. [23] Hasta que se establezca esta arquitectura, el enfoque retiniano permanece difuso. La perpetuación o la falta de estas conexiones recién formadas depende del mantenimiento de las actividades eléctricas en las sinapsis. Al refinarse, las conexiones elaboradas se estrechan y se fortalecen para activarse solo en respuesta a estímulos específicos para optimizar la agudeza visual . [24] Estos mecanismos pueden funcionar mal con la introducción de toxinas, que se unen a los canales de sodio y suprimen los potenciales de acción y, en consecuencia, la actividad eléctrica entre las sinapsis. [25]
La cuantificación de las redes sinápticas se ha realizado principalmente a través de la detección de ondas retinianas utilizando indicadores fluorescentes de Ca2 + . Antes del nacimiento, se observa que las ondas retinianas se originan como grupos que se propagan a través de la región refractaria. Se ha demostrado que estos ensayos proporcionan datos espaciotemporales sobre las ráfagas aleatorias de potenciales de acción producidos en un período refractario. [26] Otro ensayo desarrollado recientemente para evaluar la profundidad de las conexiones neuronales utiliza la propagación transneuronal de la rabia. [27] Este método de rastreo emplea la migración de un virus neurotrópico a través de neuronas estrechamente interconectadas y el etiquetado de sitios específicos de conexiones distintas. [28] Los experimentos de fijación de parches y la obtención de imágenes de calcio se realizan a menudo basándose en los resultados preliminares de este ensayo para detectar la actividad neuronal espontánea. [29] Se ha desarrollado un método para la cuantificación sináptica in vitro que utiliza inmunofluorescencia para medir la densidad sináptica en diferentes cultivos celulares. [30]
El concepto de períodos críticos es un tema ampliamente aceptado y destacado en el desarrollo, con fuertes implicaciones para la plasticidad del desarrollo. Los períodos críticos establecen un marco temporal en el que se puede llevar a cabo la conformación de las redes neuronales. Durante estos períodos críticos del desarrollo, la plasticidad se produce como resultado de cambios en la estructura o función de los circuitos neuronales en desarrollo. Estos períodos críticos también pueden depender de la experiencia, en el caso del aprendizaje a través de nuevas experiencias, o pueden ser independientes de la experiencia ambiental y depender de mecanismos biológicos que incluyen factores endógenos o exógenos. [31] Algunos de los ejemplos más generalizados de esto se pueden ver a través del desarrollo de la corteza visual además de la adquisición del lenguaje como resultado de la plasticidad del desarrollo durante el período crítico. [8] [32] Sin embargo, un ejemplo menos conocido sigue siendo el desarrollo crítico del control respiratorio durante los períodos de desarrollo. Al nacer, el desarrollo de los circuitos neuronales de control respiratorio es incompleto, lo que requiere interacciones complejas tanto del entorno como de factores intrínsecos. La exposición experimental a ratas y gatitos de dos semanas de edad a condiciones hiperóxicas elimina por completo la respuesta de los quimiorreceptores carotídeos a la hipoxia , lo que provoca un deterioro respiratorio. Esto tiene una importancia clínica notable, ya que a los recién nacidos se les suele administrar cantidades considerables de oxígeno, lo que podría afectar negativamente la forma en que se desarrollan los circuitos neuronales para el control respiratorio durante el período crítico. Cuando aparecen estímulos o se producen experiencias fuera del período crítico, cualquier resultado potencial normalmente no es duradero. [33]
Otro elemento menos conocido de la plasticidad del desarrollo incluye ráfagas espontáneas de potenciales de acción en los circuitos neuronales en desarrollo, también conocidas como actividad de red espontánea. Durante el desarrollo temprano de las conexiones neuronales, las sinapsis excitatorias experimentan una activación espontánea, lo que resulta en niveles elevados de calcio intracelular que señalan el inicio de numerosas cascadas de señalización y procesos de desarrollo. Por ejemplo, antes del nacimiento, los circuitos neuronales en la retina experimentan una actividad de red espontánea, que se ha descubierto que provoca la formación de conexiones retinogeniculadas. [34] La actividad de red espontánea del desarrollo también se exhibe en la formación adecuada de circuitos neuromusculares . [35] Se cree que la actividad de red espontánea establece un andamiaje para el aprendizaje posterior y la adquisición de información después del establecimiento inicial de conexiones sinápticas durante el desarrollo.
La norma de reacción, o norma de reacción , es un patrón de plasticidad fenotípica que describe cómo un solo genotipo puede producir una variedad de fenotipos diferentes en respuesta a diferentes condiciones ambientales. [2] Además, una norma de reacción puede ser una representación gráfica de la variación del fenotipo de un organismo en respuesta a numerosas circunstancias ambientales. La representación gráfica de las normas de reacción suele tener forma parabólica , que representa la variación de la plasticidad en una población. [36] Además, las normas de reacción permiten a los organismos evaluar la necesidad de varios fenotipos en respuesta a la magnitud de la señal ambiental. [2]
El polifenismo se refiere a la capacidad de un solo genotipo de producir una variedad de fenotipos en respuesta a diferentes condiciones ambientales. A diferencia de las normas de reacción, que producen una gama continua de fenotipos, los polifenismos permiten que surja un fenotipo distinto a partir de la alteración de las condiciones ambientales. [37] Un ejemplo de polifenismo se puede ver en la hormiga carpintera de Florida, Camponotus floridanus . Para un embrión de hormiga en desarrollo, una multitud de señales ambientales pueden determinar en última instancia la morfología de la hormiga adulta. Para las hormigas carpinteras de Florida, el fenotipo final y el comportamiento están determinados por la morfología; las hormigas en desarrollo pueden convertirse en obreras menores, obreras mayores o reinas. Aunque se ha documentado el polifenismo de las hormigas, aún se necesita investigación para determinar los mecanismos moleculares para la inducción de cada fenotipo único. [38]
Las señales ambientales, tanto en el entorno materno como en el embrionario, pueden provocar cambios en el embrión. El desarrollo embrionario es un proceso sensible y puede verse afectado por señales de depredadores, [39] luz, [40] y/o temperatura. [41] Por ejemplo, en Daphnia , los neonatos expuestos a señales de depredadores mostraron una mayor expresión de genes relacionados con la digestión, la función reproductiva y la defensa. Se planteó la hipótesis de que este aumento en la expresión genética permitiría a las Daphnia defenderse y que un aumento en el crecimiento daría como resultado una mayor inversión en futuras crías. Las generaciones posteriores exhibieron un patrón similar, a pesar de no estar expuestas a ninguna señal de depredador, lo que sugiere una herencia de factores de expresión epigenéticos . [39] La sensibilidad de un organismo a la luz durante el desarrollo podría ser útil para predecir qué fenotipo puede ser el más beneficioso en el futuro basándose en el follaje del organismo maduro. [40] Varias especies, incluidos los caimanes y las tortugas , tienen una determinación sexual dependiente de la temperatura , donde el sexo del organismo depende de la temperatura ambiental durante un período termosensible crucial. Un área activa de investigación involucra los mecanismos de determinación sexual por temperatura, que se ha planteado como una hipótesis que está asociada con la metilación de genes específicos. [41]