La sinaptogénesis es la formación de sinapsis entre neuronas del sistema nervioso . Aunque ocurre a lo largo de la vida de una persona sana, se produce una explosión en la 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 podrán desarrollarse normalmente más adelante en la vida. [2] [ se necesita más explicación ]
La unión neuromuscular (NMJ) es la sinapsis mejor caracterizada porque proporciona una estructura simple y accesible que permite una fácil manipulación y observación. La propia sinapsis 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, provocando 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 sólo funcionaban como soporte para 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 motoneuronas del tubo neural forman contactos preliminares con el miotubo. Las células de Schwann surgen de la cresta neural y son conducidas por los axones hasta su destino. Al alcanzarlo, forman una cubierta suelta y amielínica sobre los axones que los inervan. El movimiento de los axones (y posteriormente de las células de Schwann) está 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 las sinapsis en la unión neuromuscular muestra que la mayoría de los músculos están inervados en sus puntos medios. Aunque pueda parecer que los axones se dirigen específicamente al punto medio del miotubo, varios factores revelan que esta no es una afirmación válida. Parece que después del contacto axonal inicial, el miotubo recién formado procede a crecer simétricamente desde 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 que se forma entre la motoneurona y el miotubo genera una transmisión sináptica casi inmediatamente, pero la señal producida es muy débil. Existe 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 motoneurona presináptica. Este axón pionero es de crucial importancia porque los nuevos axones que le 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 motoneurona 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 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]
AChR experimenta multimerización dentro de la membrana postsináptica debido en gran parte a la molécula de señalización Agrin . El axón de la motoneurona libera agrina, un proteoglicano que inicia una cascada que eventualmente conduce a la asociación AChR. Agrin se une a un receptor de quinasa específico del músculo ( MuSK ) en la membrana postsináptica, y esto a su vez conduce a la activación 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 grupos de AChR. [3]
El aumento de la concentración de AChR no se debe simplemente a una reordenación de componentes sinápticos preexistentes. El axón también proporciona señales que regulan la expresión genética dentro de los mionúcleos directamente debajo de la sinapsis. Esta señalización proporciona una regulación positiva localizada de la transcripción de genes 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 eventualmente conducen a la activación transcripcional de los genes 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 del aumento de la concentración en la membrana postsináptica, ayuda a garantizar la fidelidad de las señales enviadas por el axón al localizar AChR en la sinapsis. Debido a que la sinapsis comienza a recibir entradas casi inmediatamente después de que la motoneurona entra en contacto con el miotubo, el axón genera rápidamente un potencial de acción y libera ACh. La despolarización causada por AChR induce la contracción muscular y simultáneamente inicia la represión de la transcripción del gen AChR en toda la membrana muscular. Tenga en cuenta que esto afecta la transcripción genética 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 exhibidos en la terminal del axón en desarrollo están bien caracterizados. El axón presináptico muestra un aumento en el volumen y el área sinápticos, un aumento de vesículas sinápticas, agrupación de vesículas en la zona activa y polarización de la membrana presináptica. Se cree que estos cambios están mediados por la liberación de neurotrofina y moléculas de adhesión celular de las células musculares, lo que enfatiza la importancia de la comunicación entre la motoneurona 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 genética y una redistribución de componentes sinápticos preexistentes. Se puede ver evidencia de esto en la regulación positiva de genes que expresan proteínas vesiculares poco después de la formación de sinapsis, así como en su localización en la terminal sináptica. [3]
Las sinapsis inmaduras están inervadas múltiples veces al nacer, debido a la alta propensión de nuevos axones a inervar en una sinapsis preexistente. A medida que la sinapsis madura, se segregan y, finalmente, todas las entradas axonales, excepto una, se retraen en un proceso llamado eliminación de sinapsis. Además, la placa terminal postsináptica se hace más profunda y crea pliegues mediante invaginación para aumentar la 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 cubierta mielinizada sobre toda la unión neuromuscular. [3]
El proceso de poda sináptica conocido como eliminación de sinapsis es un proceso presumiblemente dependiente de la actividad que implica competencia entre axones. Hipotéticamente, una sinapsis lo suficientemente fuerte como para producir un potencial de acción activará los mionúcleos directamente frente al axón para liberar sinaptotropinas que fortalecerán y mantendrán las sinapsis bien establecidas. Este fortalecimiento sináptico no se confiere a las sinapsis más débiles, matándolas así de hambre. También se ha sugerido que, además de que las sinaptotropinas liberadas en la sinapsis exhiben una fuerte actividad, la despolarización de la membrana postsináptica provoca la liberación de sinaptotoxinas que protegen a los axones más débiles. [3]
Un aspecto notable de la sinaptogénesis es el hecho de que las motoneuronas son capaces de distinguir entre fibras musculares de contracción rápida y lenta; Las fibras musculares de contracción rápida están inervadas por motoneuronas "rápidas" y las fibras musculares de contracción lenta están inervadas por motoneuronas "lentas". Hay dos caminos hipotéticos por los cuales los axones de las motoneuronas logran esta especificidad, uno en el que los axones reconocen activamente los músculos que inervan y toman decisiones selectivas basadas en entradas, y otro 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 atribuir a la posición lateral en la que los axones están dispuestos de forma predeterminada para vincularlos a la fibra muscular que eventualmente inervarán. Las vías no selectivas hipotéticas indican que los axones son guiados a sus destinos por la matriz a través de la cual viajan. Básicamente, 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 de forma no específica fibras musculares y hacer que los músculos adquieran las características del axón que los inerva. En este camino, una motoneurona "rápida" puede convertir cualquier fibra muscular en una fibra muscular de contracción rápida. Existe 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 dentro del sistema nervioso central (SNC) es mucho más reciente que el de la NMJ, es prometedor relacionar la información aprendida en la NMJ con las sinapsis dentro del 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 UNM tienen una terminal nerviosa que está separada de la membrana postsináptica por una hendidura que contiene material extracelular especializado. Ambas estructuras exhiben 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 exhiben diferenciación de las membranas presinápticas 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 en la estructura, existe una diferencia fundamental entre las dos 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 única entrada y funcionan de forma total o nula. Sumado a la plasticidad característica de las conexiones neuronales del SNC, es fácil ver cuán cada vez más complejos pueden llegar a ser los circuitos del SNC. [3]
El principal método de señalización sináptica en la NMJ es mediante el 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 de N-metil-D-aspartato (NMDA). Se ha demostrado que la activación de los receptores NMDA inicia la sinaptogénesis mediante la activación de productos posteriores. El mayor nivel de actividad del receptor NMDA durante el desarrollo permite una mayor entrada de calcio, que actúa como una 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 que también depende 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, incluida la mejora de la liberación del transmisor, el aumento de la concentración de vesículas y la biosíntesis de colesterol. El colesterol es esencial para la sinaptogénesis porque las balsas lipídicas que forma proporcionan un andamio sobre el cual pueden ocurrir numerosas interacciones de señalización. Los mutantes nulos de BDNF muestran defectos significativos en el crecimiento neuronal y la formación de sinapsis. [10] Aparte de las neurotrofinas, las moléculas de adhesión celular también son esenciales para la sinaptogénesis. A menudo, la unión de moléculas de adhesión de células 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 relacionado con casos de autismo y retraso mental. [11] Finalmente, muchos de estos procesos de señalización pueden regularse mediante metaloproteinasas de matriz (MMP), ya que los objetivos de muchas MMP son estas moléculas de adhesión celular específicas. [6]
La estructura especial que se encuentra en el SNC y que permite múltiples entradas es la columna dendrítica , el sitio altamente dinámico de las sinapsis excitadoras. 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 desempeñan un papel en la sinaptogénesis mediante el inicio del contacto con los axones de otras neuronas. Los filopodios de neuronas nuevas tienden a asociarse con axones con múltiples sinapsis, mientras que los filopodios de neuronas maduras tienden a sitios desprovistos de otros socios. El dinamismo de las espinas permite la conversión de filopodios en espinas de hongos que son los sitios principales 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 ambiente más estimulante inmediatamente después del nacimiento, [16] después del destete, [14] [15] [17] o durante la madurez. [18] La estimulación afecta no sólo la sinaptogénesis a 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 desempeña funciones en el desarrollo posterior de la formación de sinapsis y la plasticidad . Se ha verificado la contribución de Wnt a la sinaptogénesis 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 cubiertas de musgo . La expresión de Wnt-3 contribuye al crecimiento de 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 los axones en su pareja sináptica, las células de fibras cubiertas de musgo. [21] La secreción retrógrada de Wnt-7a a las células de fibras cubiertas de musgo provoca el agrandamiento del cono de crecimiento mediante la propagación de microtúbulos . [21] Además, la señalización retrógrada de Wnt-7a recluta vesículas sinápticas y proteínas presinápticas en 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 andamio PSD-95" . [20]
En el hipocampo, los Wnts, junto con la actividad eléctrica celular, promueven la formación de sinapsis. Wnt7b se expresa en dendritas en maduración [21] y la expresión del receptor Wnt Frizzled (Fz) aumenta enormemente 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 (LTP) debido 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 los Wnts en el sistema nervioso central en la unión neuromuscular (NMJ). En Drosophila NMJ, 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 los receptores glutamatérgicos en las células musculares postsinápticas. Como resultado, las mutaciones Wnt disminuyen las corrientes evocadas en el músculo postsináptico. [20]
En la NMJ de vertebrados, la expresión de Wnt-11r en las neuronas motoras contribuye a la agrupación del receptor de acetilcolina (AChR) en la densidad postsináptica de las células musculares. Wnt-3 se expresa en 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 de los axones y la agrupación de vesículas sinápticas. [21] [22]