En neurociencia , la plasticidad homeostática se refiere a la capacidad de las neuronas para regular su propia excitabilidad en relación con la actividad de la red. El término plasticidad homeostática deriva de dos conceptos opuestos: " homeostático " (un producto de las palabras griegas para "mismo" y "estado" o "condición") y plasticidad (o "cambio"), por lo que la plasticidad homeostática significa "permanecer igual a través del cambio". En el sistema nervioso , las neuronas deben poder evolucionar con el desarrollo de su entorno en constante cambio y, al mismo tiempo, permanecer iguales en medio de este cambio. Esta estabilidad es importante para que las neuronas mantengan su actividad y funcionalidad para evitar que las neuronas se carcinogenes . Al mismo tiempo, las neuronas deben tener flexibilidad para adaptarse a los cambios y hacer conexiones para hacer frente al entorno en constante cambio de un sistema nervioso en desarrollo. [1]
La capacidad de las neuronas para mantener niveles de actividad constantes en respuesta a variaciones en la entrada sináptica se conoce como plasticidad sináptica homeostática. La plasticidad sináptica homeostática ocurre cuando las neuronas modifican su fuerza sináptica en respuesta a variaciones en los niveles de actividad para preservar la estabilidad de la red. Esta respuesta sirve para mantener los circuitos neuronales en el rango apropiado de actividad para un funcionamiento adecuado. La plasticidad sináptica homeostática se puede demostrar en el escalamiento sináptico, la expresión de receptores postsinápticos, las alteraciones presinápticas y la remodelación de las espinas dendríticas.
La plasticidad presináptica homeostática se refiere a la capacidad de las neuronas para regular la liberación de neurotransmisores en las terminales presinápticas, asegurando un rango constante de actividad cerebral. Este proceso involucra varios mecanismos, como el ajuste del tamaño cuántico, la expresión diferencial de proteínas presinápticas y la modificación del reciclaje de vesículas. El ajuste del tamaño cuántico ayuda a mantener respuestas postsinápticas constantes a pesar de los cambios en la fuerza sináptica. La expresión diferencial de proteínas presinápticas, como los canales de calcio o las proteínas de vesículas sinápticas, también puede ser alterada por las neuronas para afectar la tasa de liberación de neurotransmisores.
La plasticidad postsináptica homeostática es crucial para mantener niveles constantes de actividad sináptica en las neuronas, que se forman en sinapsis específicas del cerebro. Los procesos homeostáticos implican cambios en la expresión de receptores, cambios en la composición de subunidades de receptores y cambios en las vías de señalización intracelular. Por ejemplo, el receptor NMDA puede cambiar su composición de subunidades para mejorar la sensibilidad a los neurotransmisores. Además, los cambios en la expresión y la ubicación de los receptores de neurotransmisores pueden afectar la transmisión sináptica cuando se activan vías de señalización específicas. Las moléculas de adhesión sináptica también pueden verse influenciadas por los procesos homeostáticos. En general, la plasticidad postsináptica homeostática contribuye a la estabilidad y el funcionamiento adecuado de los circuitos neuronales, lo que permite que el cerebro se adapte a las condiciones cambiantes sin comprometer la estabilidad general de la actividad neuronal. [2]
La plasticidad intrínseca homeostática se refiere a la capacidad de las neuronas de cambiar sus características eléctricas intrínsecas en respuesta a cambios en la actividad sináptica o de la red. Este proceso implica alteraciones en la excitabilidad o características de disparo de neuronas individuales, en lugar de ajustar principalmente la fuerza sináptica. Los procesos de plasticidad intrínseca asociados con la homeostasis incluyen alteraciones en la expresión de canales iónicos, modificaciones de la conductancia de la membrana, alteraciones del umbral del potencial de acción y regulación de la excitabilidad intrínseca. Las neuronas pueden regular positivamente la expresión de canales de sodio para mantener las tasas de disparo y aumentar la excitabilidad en caso de una caída en la actividad sináptica. Estos cambios afectan el vínculo de entrada-salida entre neuronas y el control homeostático de la actividad neuronal.
El escalamiento sináptico es un mecanismo homeostático que permite a las neuronas modular la fuerza de todas las sinapsis para mantener niveles de actividad estables dentro de un rango específico. Este proceso se caracteriza por cambios en la cantidad o sensibilidad de los receptores de neurotransmisores en la membrana postsináptica. Las neuronas pueden reducir la cantidad de receptores de neurotransmisores en respuesta a picos de actividad de la red, lo que reduce la fuerza sináptica, o aumentar la densidad en respuesta a caídas de la actividad de la red, lo que aumenta la sensibilidad y potencia la fuerza sináptica. Esta regulación homeostática de los circuitos cerebrales respalda otros tipos de plasticidad sináptica, como la depresión a largo plazo y la potenciación a largo plazo .
La plasticidad sináptica homeostática es un medio para mantener la base sináptica para el aprendizaje, la respiración y la locomoción, en contraste con la plasticidad hebbiana asociada con el aprendizaje y la memoria. [3] Aunque las formas hebbianas de plasticidad, como la potenciación a largo plazo y la depresión a largo plazo ocurren rápidamente, la plasticidad homeostática (que depende de la síntesis de proteínas) puede llevar horas o días. [4] El TNF-α [5] y los microARN [4] son mediadores importantes de la plasticidad sináptica homeostática.
Se cree que la plasticidad homeostática equilibra la plasticidad hebbiana modulando la actividad de la sinapsis o las propiedades de los canales iónicos. La plasticidad homeostática en los circuitos neocorticales ha sido estudiada en profundidad por Gina G. Turrigiano y Sacha Nelson de la Universidad Brandeis , quienes observaron por primera vez cambios compensatorios en las corrientes postsinápticas excitatorias (mEPSC) después de manipulaciones crónicas de la actividad. [6]
La potenciación a largo plazo (PLP) y la depresión a largo plazo (LTD) son ejemplos de plasticidad hebbiana. Esto significa que estos términos también tienen que ver con el cerebro, la fuerza sináptica y cómo se procesa la memoria/aprendizaje. La potenciación a largo plazo es un tipo de plasticidad en la que la comunicación entre neuronas mejora a lo largo de un largo período de tiempo. La depresión a largo plazo sería cuando esta actividad en las sinapsis se reduce. Se teoriza que estos términos son responsables del almacenamiento de la memoria, pero no se ha confirmado oficialmente. Otro término que resume la LTP y la LTD es la plasticidad sináptica, que describe esta fuerza sináptica en el cerebro. [7]
Un tipo de neuroplasticidad que analiza la plasticidad del cerebro frente a las lesiones. Las funciones y capacidades de una determinada parte del cerebro pueden trasladarse a otra parte del cerebro cuando se produce un daño. Por ejemplo, como el lado izquierdo y el derecho del cerebro tienen determinadas funciones, la eliminación de un lado por completo puede dar lugar a que el lado restante asuma esas capacidades. Esto ayuda a evitar que el organismo pierda funciones importantes necesarias para la supervivencia. [8]
Otro tipo de neuroplasticidad que, como sugiere el nombre, implica que la estructura real del cerebro cambia como resultado del aprendizaje, en lugar de solo las sinapsis. Pero por más asombroso que sea el cerebro, un órgano tan complejo solo puede llegar hasta cierto punto. [8]
Se ha propuesto que el escalamiento sináptico es un mecanismo potencial de plasticidad homeostática. [1] La plasticidad homeostática se puede utilizar para describir un proceso que mantiene la estabilidad de las funciones neuronales a través de una plasticidad coordinada entre compartimentos subcelulares, como las sinapsis frente a las neuronas y los cuerpos celulares frente a los axones. [9] Recientemente, se propuso que el escalamiento sináptico homeostático puede desempeñar un papel en el establecimiento de la especificidad de una memoria asociativa . [10]
La plasticidad homeostática también mantiene la excitabilidad neuronal en tiempo real a través de la plasticidad coordinada del período umbral y refractario en los canales de sodio dependientes del voltaje . [11]
La plasticidad homeostática también es muy importante en el contexto de los generadores de patrones centrales . En este contexto, las propiedades neuronales se modulan en respuesta a los cambios ambientales con el fin de mantener una salida neuronal adecuada. [3]
La plasticidad homeostática desempeña un papel crucial en trastornos neurológicos como la epilepsia, el autismo, la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas. En estos trastornos, la capacidad de las neuronas para mantener la estabilidad en respuesta a cambios en los niveles de actividad o estímulos externos suele estar alterada. [12]
En un cerebro sano, la excitabilidad neuronal y la fuerza sináptica se regulan homeostáticamente para mantener el equilibrio entre la excitación y la inhibición. En un cerebro epiléptico, los mecanismos de plasticidad homeostática pueden desregularse, lo que conduce a episodios de actividad neuronal altamente sincronizada y convulsiones. Todavía no está claro cómo interviene la compensación homeostática en los procesos epileptogénicos. Los enfoques farmacológicos tradicionales pueden resultar ineficaces para restablecer el equilibrio fisiológico en la red neuronal. Sin embargo, las estrategias terapéuticas dirigidas a los mecanismos de plasticidad homeostática pueden ofrecer una posible solución. [12]
La plasticidad homeostática es vital para mantener el equilibrio neurológico en el cerebro. Un desequilibrio entre las neurotransmisiones excitatorias e inhibidoras en el cerebro puede provocar un trastorno del espectro autista . La desregulación de la plasticidad homeostática y el desequilibrio neuronal pueden contribuir a los síntomas cognitivos y conductuales asociados con el autismo. [13]
En la enfermedad de Alzheimer , la función sináptica y la integridad neuronal se ven afectadas. En un cerebro sano, estos mecanismos se mantienen en forma estricta gracias a la plasticidad homeostática. Los déficits en la plasticidad homeostática contribuyen al deterioro cognitivo y a la pérdida de memoria, que son síntomas característicos de la enfermedad de Alzheimer. [14]
Varios trastornos neurológicos se ven afectados por la plasticidad homeostática. La desregulación de la plasticidad homeostática puede provocar una actividad de red excitatoria o inhibitoria. La enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Huntington y la ELA son ejemplos de trastornos en los que la desregulación de la red neuronal contribuye a la fisiopatología de los trastornos. [15]
La esquizofrenia se caracteriza por alteraciones en los procesos de pensamiento, las percepciones y las emociones. Las alteraciones en la fuerza y la conectividad sinápticas, posiblemente debidas a la desregulación de los mecanismos homeostáticos, pueden provocar los síntomas observados en los pacientes esquizofrénicos. Esta desregulación contribuye a los déficits cognitivos y los delirios observados en la esquizofrenia. [16]
Gina G. Turrigiano es una neurocientífica estadounidense conocida por su trabajo sobre los mecanismos de plasticidad homeostática en el cerebro. Su investigación se centró en la fuerza sináptica y la excitabilidad intrínseca de las neuronas. Realizó descubrimientos clave en la escala sináptica, la plasticidad sináptica y otros mecanismos moleculares relacionados con la regulación homeostática. [2]