La sinaptogénesis es la formación de sinapsis entre neuronas en el sistema nervioso . Aunque ocurre a lo largo de la vida de una persona sana , se produce una explosión de formación de sinapsis durante el desarrollo temprano del cerebro , conocida como sinaptogénesis exuberante . [1] La sinaptogénesis es particularmente importante durante el período crítico de un individuo , durante el cual hay un cierto grado de poda sináptica debido a la competencia por los factores de crecimiento neuronal por parte de las neuronas y las sinapsis. Los procesos que no se utilizan o se inhiben durante su período crítico no se desarrollarán normalmente más adelante en la vida. [2] [ se necesita más explicación ]
La unión neuromuscular (UNM) es la sinapsis mejor caracterizada, ya que proporciona una estructura simple y accesible que permite una fácil manipulación y observación. La sinapsis en sí está compuesta por tres células: la neurona motora , la miofibra y la célula de Schwann . En una sinapsis que funciona normalmente, una señal hará que la neurona motora se despolarice, liberando el neurotransmisor acetilcolina (ACh). La acetilcolina viaja a través de la hendidura sináptica donde llega a los receptores de acetilcolina (AChR) en la membrana plasmática de la miofibra, el sarcolema . A medida que los AChR abren canales iónicos , la membrana se despolariza, lo que provoca la contracción muscular. Toda la sinapsis está cubierta por una vaina de mielina proporcionada por la célula de Schwann para aislar y encapsular la unión. [3] Otra parte importante del sistema neuromuscular y del sistema nervioso central son los astrocitos . Aunque originalmente se pensaba que solo funcionaban como soporte de las neuronas, desempeñan un papel importante en la plasticidad funcional de las sinapsis. [4]
Durante el desarrollo, cada uno de los tres tipos de células de la capa germinal surge de diferentes regiones del embrión en crecimiento. Los mioblastos individuales se originan en el mesodermo y se fusionan para formar un miotubo multinucleado. Durante o poco después de la formación del miotubo, las neuronas motoras del tubo neural forman contactos preliminares con el miotubo. Las células de Schwann surgen de la cresta neural y son guiadas por los axones hasta su destino. Al llegar a él, forman una cubierta suelta y amielinizada sobre los axones que inervan. El movimiento de los axones (y posteriormente de las células de Schwann) es guiado por el cono de crecimiento, una proyección filamentosa del axón que busca activamente neurotrofinas liberadas por el miotubo. [3]
El patrón específico del desarrollo de sinapsis en la unión neuromuscular muestra que la mayoría de los músculos están inervados en sus puntos medios. Aunque puede parecer que los axones apuntan específicamente al punto medio del miotubo, varios factores revelan que esto no es una afirmación válida. Parece que después del contacto axonal inicial, el miotubo recién formado procede a crecer simétricamente a partir de ese punto de inervación. Junto con el hecho de que la densidad de AChR es el resultado del contacto axonal en lugar de la causa, los patrones estructurales de las fibras musculares pueden atribuirse tanto al crecimiento miotático como a la inervación axonal. [3]
El contacto preliminar formado entre la neurona motora y el miotubo genera transmisión sináptica casi inmediatamente, pero la señal producida es muy débil. Hay evidencia de que las células de Schwann pueden facilitar estas señales preliminares al aumentar la cantidad de liberación espontánea de neurotransmisores a través de señales de moléculas pequeñas. [5] Después de aproximadamente una semana, se forma una sinapsis completamente funcional después de varios tipos de diferenciación tanto en la célula muscular postsináptica como en la neurona motora presináptica. Este axón pionero es de importancia crucial porque los nuevos axones que siguen tienen una alta propensión a formar contactos con sinapsis bien establecidas. [3]
La diferencia más notable en el miotubo después del contacto con la neurona motora es el aumento de la concentración de AChR en la membrana plasmática del miotubo en la sinapsis. Esta mayor cantidad de AChR permite una transmisión más eficaz de las señales sinápticas, lo que a su vez conduce a una sinapsis más desarrollada. La densidad de AChR es > 10.000/μm 2 y aproximadamente 10/μm 2 alrededor del borde. Esta alta concentración de AChR en la sinapsis se logra mediante la agrupación de AChR, la regulación positiva de la transcripción del gen AChR en los núcleos postsinápticos y la regulación negativa del gen AChR en los núcleos no sinápticos. [3] Las señales que inician la diferenciación postsináptica pueden ser neurotransmisores liberados directamente desde el axón al miotubo, o pueden surgir de cambios activados en la matriz extracelular de la hendidura sináptica. [6]
El AChR experimenta multimerización dentro de la membrana postsináptica en gran medida debido a la molécula de señalización Agrina . El axón de la neurona motora libera agrina, un proteoglicano que inicia una cascada que finalmente conduce a la asociación de AChR. La agrina se une a un receptor de quinasa específica del músculo ( MuSK ) en la membrana postsináptica, y esto a su vez conduce a la activación descendente de la proteína citoplasmática Rapsyn . Rapsyn contiene dominios que permiten la asociación y multimerización de AChR, y es directamente responsable de la agrupación de AChR en la membrana postsináptica: los ratones mutantes deficientes en rapsyn no logran formar agrupaciones de AChR. [3]
El aumento de la concentración de AChR no se debe simplemente a una reorganización de los componentes sinápticos preexistentes. El axón también proporciona señales que regulan la expresión génica dentro de los mionúcleos directamente debajo de la sinapsis. Esta señalización proporciona una regulación positiva localizada de la transcripción de los genes de AChR y el consiguiente aumento de la concentración local de AChR. Las dos moléculas de señalización liberadas por el axón son el péptido relacionado con el gen de la calcitonina (CGRP) y la neuregulina , que desencadenan una serie de quinasas que finalmente conducen a la activación transcripcional de los genes de AChR. [7]
La represión del gen AChR en los núcleos no sinápticos es un proceso dependiente de la actividad que involucra la señal eléctrica generada por la sinapsis recién formada. La concentración reducida de AChR en la membrana extrasináptica, además de la concentración aumentada en la membrana postsináptica, ayuda a garantizar la fidelidad de las señales enviadas por el axón al localizar el AChR en la sinapsis. Debido a que la sinapsis comienza a recibir señales casi inmediatamente después de que la neurona motora entra en contacto con el miotubo, el axón genera rápidamente un potencial de acción y libera ACh. La despolarización causada por el AChR induce la contracción muscular y simultáneamente inicia la represión de la transcripción del gen AChR en toda la membrana muscular. Nótese que esto afecta la transcripción génica a distancia: los receptores que están incrustados dentro de la membrana postsináptica no son susceptibles a la represión. [3]
Aunque se desconocen los mecanismos que regulan la diferenciación presináptica, los cambios que se manifiestan en la terminal axonal en desarrollo están bien caracterizados. El axón presináptico muestra un aumento del volumen y el área sinápticos, un aumento de las vesículas sinápticas, la agrupación de vesículas en la zona activa y la polarización de la membrana presináptica. Se cree que estos cambios están mediados por la liberación de neurotrofinas y moléculas de adhesión celular de las células musculares, lo que pone de relieve la importancia de la comunicación entre la neurona motora y el miotubo durante la sinaptogénesis. Al igual que la diferenciación postsináptica, se cree que la diferenciación presináptica se debe a una combinación de cambios en la expresión génica y una redistribución de los componentes sinápticos preexistentes. Se puede observar evidencia de esto en la regulación positiva de los genes que expresan proteínas vesiculares poco después de la formación de la sinapsis, así como en su localización en la terminal sináptica. [3]
Las sinapsis inmaduras están inervadas de forma múltiple al nacer, debido a la alta propensión de los nuevos axones a inervar una sinapsis preexistente. A medida que la sinapsis madura, las sinapsis se segregan y, finalmente, todas las entradas axónicas, excepto una, se retraen en un proceso llamado eliminación sináptica. Además, la placa terminal postsináptica se hace más profunda y crea pliegues a través de la invaginación para aumentar el área de superficie disponible para la recepción de neurotransmisores. Al nacer, las células de Schwann forman cubiertas sueltas y amielínicas sobre grupos de sinapsis, pero a medida que la sinapsis madura, las células de Schwann se dedican a una sola sinapsis y forman una capa mielinizada sobre toda la unión neuromuscular. [3]
El proceso de poda sináptica conocido como eliminación de sinapsis es un proceso que presumiblemente depende de la actividad y que implica competencia entre axones. Hipotéticamente, una sinapsis lo suficientemente fuerte como para producir un potencial de acción hará que los mionúcleos directamente frente al axón liberen sinaptotrofinas que fortalecerán y mantendrán las sinapsis bien establecidas. Este fortalecimiento sináptico no se confiere a las sinapsis más débiles, por lo que se las deja sin energía. También se ha sugerido que, además de las sinaptotrofinas liberadas a la sinapsis que exhibe una fuerte actividad, la despolarización de la membrana postsináptica provoca la liberación de sinaptotoxinas que alejan a los axones más débiles. [3]
Un aspecto destacable de la sinaptogénesis es el hecho de que las neuronas motoras son capaces de distinguir entre fibras musculares de contracción rápida y lenta; las fibras musculares de contracción rápida están inervadas por neuronas motoras "rápidas", y las fibras musculares de contracción lenta están inervadas por neuronas motoras "lentas". Existen dos vías hipotéticas por las cuales los axones de las neuronas motoras logran esta especificidad: una en la que los axones reconocen activamente los músculos que inervan y toman decisiones selectivas basadas en las entradas, y otra que requiere una inervación más indeterminada de las fibras musculares. En las vías selectivas, los axones reconocen el tipo de fibra, ya sea por factores o señales liberadas específicamente por las fibras musculares de contracción rápida o lenta. Además, la selectividad se puede rastrear hasta la posición lateral en la que los axones están dispuestos de manera predeterminada para vincularlos a la fibra muscular que finalmente inervarán. Las vías no selectivas planteadas indican que los axones son guiados a sus destinos por la matriz a través de la cual viajan. Esencialmente, se traza un camino para el axón y el axón en sí no participa en el proceso de toma de decisiones. Finalmente, los axones pueden inervar fibras musculares de manera no específica y hacer que los músculos adquieran las características del axón que los inerva. En esta vía, una neurona motora "rápida" puede convertir cualquier fibra muscular en una fibra muscular de contracción rápida. Hay evidencia de vías tanto selectivas como no selectivas en la especificidad de la formación de sinapsis, lo que lleva a la conclusión de que el proceso es una combinación de varios factores. [3]
Aunque el estudio de la sinaptogénesis en el sistema nervioso central (SNC) es mucho más reciente que el de la unión neuronal, parece prometedor relacionar la información aprendida en la unión neuronal con las sinapsis en el SNC. Existen muchas estructuras y funciones básicas similares entre los dos tipos de conexiones neuronales. En el nivel más básico, la sinapsis del SNC y la unión neuronal neuronal tienen una terminal nerviosa que está separada de la membrana postsináptica por una hendidura que contiene material extracelular especializado. Ambas estructuras presentan vesículas localizadas en los sitios activos, receptores agrupados en la membrana postsináptica y células gliales que encapsulan toda la hendidura sináptica. En términos de sinaptogénesis, ambas sinapsis presentan una diferenciación de las membranas pre y postsinápticas después del contacto inicial entre las dos células. Esto incluye la agrupación de receptores, la regulación positiva localizada de la síntesis de proteínas en los sitios activos y la poda neuronal mediante la eliminación de sinapsis. [3]
A pesar de estas similitudes estructurales, existe una diferencia fundamental entre ambas conexiones. La sinapsis del SNC es estrictamente neuronal y no involucra fibras musculares: por esta razón, el SNC utiliza diferentes moléculas de neurotransmisores y receptores. Más importante aún, las neuronas dentro del SNC a menudo reciben múltiples entradas que deben procesarse e integrarse para una transferencia exitosa de información. Las fibras musculares están inervadas por una sola entrada y funcionan de manera todo o nada. Junto con la plasticidad que es característica de las conexiones neuronales del SNC, es fácil ver cómo los circuitos del SNC pueden volverse cada vez más complejos. [3]
El principal método de señalización sináptica en la unión neuronal es a través del uso del neurotransmisor acetilcolina y su receptor. El homólogo del SNC es el glutamato y sus receptores, y uno de especial importancia es el receptor N-metil-D-aspartato (NMDA). Se ha demostrado que la activación de los receptores NMDA inicia la sinaptogénesis a través de la activación de productos derivados. El nivel elevado de actividad del receptor NMDA durante el desarrollo permite un mayor flujo de calcio, que actúa como señal secundaria. Finalmente, los factores de transcripción activan los genes tempranos inmediatos (IEG) y se traducen las proteínas necesarias para la diferenciación neuronal. [8] La función del receptor NMDA está asociada con el receptor de estrógeno en las neuronas del hipocampo. Los experimentos realizados con estradiol muestran que la exposición al estrógeno aumenta significativamente la densidad sináptica y la concentración de proteínas. [9]
La señalización sináptica durante la sinaptogénesis no sólo depende de la actividad, sino también del entorno en el que se encuentran las neuronas. Por ejemplo, el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) es producido por el cerebro y regula varias funciones dentro de la sinapsis en desarrollo, incluyendo la mejora de la liberación del transmisor, el aumento de la concentración de vesículas y la biosíntesis del colesterol. El colesterol es esencial para la sinaptogénesis porque las balsas lipídicas que forma proporcionan un andamiaje sobre el que pueden ocurrir numerosas interacciones de señalización. Los mutantes nulos de BDNF muestran defectos significativos en el crecimiento neuronal y la formación de sinapsis. [10] Además de las neurotrofinas, las moléculas de adhesión celular también son esenciales para la sinaptogénesis. A menudo, la unión de las moléculas de adhesión celular presinápticas con sus parejas postsinápticas desencadena especializaciones que facilitan la sinaptogénesis. De hecho, un defecto en los genes que codifican la neuroligina , una molécula de adhesión celular que se encuentra en la membrana postsináptica, se ha vinculado a casos de autismo y retraso mental. [11] Finalmente, muchos de estos procesos de señalización pueden ser regulados por metaloproteinasas de matriz (MMP), ya que los objetivos de muchas MMP son estas moléculas específicas de adhesión celular. [6]
La estructura especial que se encuentra en el SNC que permite múltiples entradas es la espina dendrítica , el sitio altamente dinámico de sinapsis excitatorias. Este dinamismo morfológico se debe a la regulación específica del citoesqueleto de actina, que a su vez permite la regulación de la formación de sinapsis. [12] Las espinas dendríticas exhiben tres morfologías principales: filopodios, espinas delgadas y espinas en forma de hongo. Los filopodios juegan un papel en la sinaptogénesis a través del inicio del contacto con axones de otras neuronas. Los filopodios de las neuronas nuevas tienden a asociarse con axones con sinapsis múltiples, mientras que los filopodios de las neuronas maduras tienden a sitios desprovistos de otros socios. El dinamismo de las espinas permite la conversión de los filopodios en espinas en forma de hongo que son los sitios primarios de los receptores de glutamato y la transmisión sináptica. [13]
Las ratas criadas con enriquecimiento ambiental tienen un 25% más de sinapsis que los controles. [14] [15] Este efecto ocurre si se experimenta un entorno más estimulante inmediatamente después del nacimiento, [16] después del destete, [14] [15] [17] o durante la madurez. [18] La estimulación afecta no solo a la sinaptogénesis de las neuronas piramidales sino también a las estrelladas . [19]
La familia ( Wnt ) incluye varios morfógenos embrionarios que contribuyen a la formación temprana de patrones en el embrión en desarrollo. Recientemente han surgido datos que muestran que la familia de proteínas Wnt tiene funciones en el desarrollo posterior de la formación y plasticidad de sinapsis . La contribución de Wnt a la sinaptogénesis se ha verificado tanto en el sistema nervioso central como en la unión neuromuscular .
Los miembros de la familia Wnt contribuyen a la formación de sinapsis en el cerebelo al inducir la formación de terminales presinápticas y postsinápticas . Esta región del cerebro contiene tres tipos principales de células neuronales: células de Purkinje , células granulares y células de fibras musgosas . La expresión de Wnt-3 contribuye al crecimiento de las neuritas de las células de Purkinje y a la formación de sinapsis. [20] [21] Las células granulares expresan Wnt-7a para promover la propagación y ramificación de axones en su socio sináptico, las células de fibras musgosas. [21] La secreción retrógrada de Wnt-7a a las células de fibras musgosas provoca el agrandamiento del cono de crecimiento al propagar los microtúbulos . [21] Además, la señalización retrógrada de Wnt-7a recluta vesículas sinápticas y proteínas presinápticas a la zona activa sináptica . [20] Wnt-5a realiza una función similar en las células granulares postsinápticas; Este Wnt estimula el ensamblaje del receptor y la agrupación de la proteína de andamiaje PSD-95 . [20]
En el hipocampo, los Wnt, en combinación con la actividad eléctrica celular, promueven la formación de sinapsis. Wnt7b se expresa en las dendritas en maduración [21] y la expresión del receptor Wnt Frizzled (Fz) aumenta considerablemente con la formación de sinapsis en el hipocampo [20] . La activación del receptor de glutamato NMDA aumenta la expresión de Wnt2. La potenciación a largo plazo (PLP) debida a la activación de NMDA y la posterior expresión de Wnt conduce a la localización de Fz-5 en la zona activa postsináptica [20] . Además, la señalización de Wnt7a y Wnt2 después de la LTP mediada por el receptor NMDA conduce a una mayor arborización dendrítica y regula la plasticidad sináptica inducida por la actividad [22] . El bloqueo de la expresión de Wnt en el hipocampo mitiga estos efectos dependientes de la actividad al reducir la arborización dendrítica y, posteriormente, la complejidad sináptica [22] .
También se observan mecanismos de acción similares de Wnt en el sistema nervioso central en la unión neuromuscular (UNM). En la UNM de Drosophila, las mutaciones en el receptor Wnt5 Derailed (drl) reducen el número y la densidad de las zonas activas sinápticas. [20] El principal neurotransmisor en este sistema es el glutamato. Wnt es necesario para localizar receptores glutamatérgicos en las células musculares postsinápticas. Como resultado, las mutaciones de Wnt disminuyen las corrientes evocadas en el músculo postsináptico. [20]
En la neurona motora de vertebrados, la expresión de Wnt-11r contribuye a la agrupación del receptor de acetilcolina (AChR) en la densidad postsináptica de las células musculares. Wnt-3 se expresa en las fibras musculares y se secreta de forma retrógrada en las neuronas motoras. [21] En las neuronas motoras, Wnt-3 trabaja con Agrin para promover el agrandamiento del cono de crecimiento, la ramificación axonal y la agrupación de vesículas sinápticas. [21] [22]