La guía de axones (también llamada búsqueda de rutas de axones ) es un subcampo del desarrollo neuronal relacionado con el proceso mediante el cual las neuronas envían axones para alcanzar sus objetivos correctos. Los axones suelen seguir caminos muy precisos en el sistema nervioso, y cómo logran encontrar su camino con tanta precisión es un área de investigación en curso.
El crecimiento del axón tiene lugar desde una región llamada cono de crecimiento y alcanzar el objetivo del axón se logra con relativamente pocas moléculas guía. Los receptores de los conos de crecimiento responden a las señales de orientación.
Los axones en crecimiento tienen una estructura altamente móvil en la punta de crecimiento llamada cono de crecimiento , que responde a señales en el entorno extracelular que indican al axón en qué dirección crecer. Estas señales, llamadas señales de orientación, pueden fijarse o difundirse; pueden atraer o repeler axones. Los conos de crecimiento contienen receptores que reconocen estas señales de orientación e interpretan la señal en una respuesta quimiotrópica . El marco teórico general es que cuando un cono de crecimiento "detecta" una señal de guía, los receptores activan varias moléculas de señalización en el cono de crecimiento que eventualmente afectan el citoesqueleto . Si el cono de crecimiento detecta un gradiente de señal de guía, la señalización intracelular en el cono de crecimiento ocurre de manera asimétrica, de modo que los cambios citoesqueléticos ocurren de manera asimétrica y el cono de crecimiento se acerca o se aleja de la señal de guía. [1]
Una combinación de métodos genéticos y bioquímicos (ver más abajo) ha llevado al descubrimiento de varias clases importantes de moléculas guías de axones y sus receptores: [2]
Además, los conos de crecimiento utilizan muchas otras clases de moléculas extracelulares para navegar correctamente:
Los axones en crecimiento dependen de una variedad de señales de orientación para decidir una vía de crecimiento. Los conos de crecimiento de los axones en extensión procesan estas señales en un intrincado sistema de interpretación e integración de señales, para garantizar una guía adecuada. [3] Estas señales se pueden subdividir funcionalmente en:
Dada la abundancia de estas diferentes señales de orientación, anteriormente se creía que los conos de crecimiento integran diversa información simplemente sumando el gradiente de señales, en diferentes valencias, en un momento dado, para tomar una decisión sobre la dirección del crecimiento. Sin embargo, los estudios en sistemas nerviosos de vertebrados de los axones que cruzan la línea media ventral han demostrado que las señales moduladoras desempeñan un papel crucial en la sintonización de las respuestas de los axones a otras señales, lo que sugiere que el proceso de guía de los axones no es lineal. Por ejemplo, los axones comisurales son atraídos por Netrin y repelidos por Slit. Sin embargo, a medida que los axones se acercan a la línea media, el receptor Robo-3/Rig-1 suprime la acción repelente de Slit. [4] Una vez que los axones cruzan la línea media, la activación de Robo por Slit silencia la atracción mediada por Netrin y los axones son repelidos por Slit.
La formación de un tracto nervioso sigue varias reglas básicas. Tanto en el sistema nervioso de invertebrados como de vertebrados, los tractos nerviosos iniciales están formados por los axones pioneros de las neuronas pioneras . [5] Estos axones siguen una ruta reproducible, se detienen en objetivos intermedios y se ramifican en ciertos puntos de elección, en el proceso de apuntar a su destino final. Este principio se ilustra mediante la extensión del SNC a los axones de las neuronas sensoriales de los insectos.
Durante el proceso de desarrollo de las extremidades , las neuronas proximales son las primeras en formar haces axonales mientras crecen hacia el SNC. En etapas posteriores del crecimiento de las extremidades, los axones de las neuronas más distales fasciculan con estos axones pioneros. La eliminación de neuronas pioneras interrumpe la extensión de axones posteriores, destinados a inervar el SNC. [6] Al mismo tiempo, vale la pena señalar que en la mayoría de los casos las neuronas pioneras no contienen características únicas y su papel en la guía de los axones puede ser sustituido por otras neuronas. Por ejemplo, en los sistemas de conexión retinotectal de Xenopus , los axones pioneros de las células ganglionares de la retina se originan en la parte dorsal del ojo. Sin embargo, si la mitad dorsal del ojo se reemplaza por una parte dorsal menos madura, las neuronas ventrales pueden reemplazar la vía pionera de las células dorsales, después de algún retraso. [7] Los estudios en la retina del pez cebra demostraron que la inhibición de la diferenciación neuronal de los progenitores retinianos tempranos evita que los axones salgan del ojo. El mismo estudio demostró trayectorias de crecimiento aberrantes en las neuronas secundarias, tras el crecimiento de las neuronas pioneras a las que les faltaba un receptor de guía. [8] Por lo tanto, si bien el alcance de la guía proporcionada por los axones pioneros está en debate y puede variar de un sistema a otro, las vías pioneras claramente brindan a las proyecciones del seguidor señales de guía y mejoran su capacidad para navegar hacia el objetivo.
Los primeros axones que se extienden en una vía interactúan estrechamente con las células gliales inmaduras. En el cuerpo calloso en formación de los vertebrados, las células gliales primitivas migran primero a las zonas ependimarias de los hemisferios y a la pared del tabique dorsal para formar una estructura transitoria que los axones pioneros de las fibras callosas utilizan para extenderse. [9] La señalización entre la glía y las neuronas en el sistema nervioso en desarrollo es recíproca. Por ejemplo, en el sistema visual de la mosca, los axones de los fotorreceptores requieren que la glía salga del tallo del ojo, mientras que las células de la glía dependen de señales de las neuronas para migrar de regreso a lo largo de los axones. [10]
Los axones en crecimiento también dependen de estructuras neuronales transitorias, como las células guía , durante la búsqueda de caminos. En el sistema visual del ratón , la formación adecuada del quiasma óptico depende de una estructura en forma de V de neuronas transitorias que se cruzan con la glía radial especializada en la línea media del quiasma. Los axones del quiasma crecen a lo largo y alrededor de esta estructura pero no la invaden. [11] Otro ejemplo es la subplaca en la corteza cerebral en desarrollo que consiste en una capa neuronal transitoria debajo de la zona subventricular y sirve como guía para los axones que ingresan a las capas corticales permanentes. La subplaca es similar a las neuronas quiasmáticas en que estos grupos de células desaparecen (o transitan hacia otros tipos de células) a medida que el cerebro madura. [12] Estos hallazgos indican que las poblaciones de células transitorias pueden desempeñar un importante papel de orientación aunque no tengan ninguna función en el sistema nervioso maduro.
Las primeras descripciones del cono de crecimiento axonal fueron realizadas por el neurobiólogo español Santiago Ramón y Cajal a finales del siglo XIX. [13] Sin embargo, la comprensión de la biología molecular y celular de la guía de los axones no comenzaría hasta décadas después. En los últimos treinta años aproximadamente, los científicos han utilizado varios métodos para descubrir cómo los axones encuentran su camino. Gran parte de los primeros trabajos sobre guía de axones se realizaron en saltamontes , donde se identificaron neuronas motoras individuales y se caracterizaron sus vías. En organismos modelo genéticos como ratones , peces cebra , nematodos y moscas de la fruta , los científicos pueden generar mutaciones y ver si provocan que los axones cometan errores de navegación y cómo. Los experimentos in vitro pueden resultar útiles para la manipulación directa de axones en crecimiento. Un método popular es hacer crecer neuronas en cultivo y exponer los conos de crecimiento a señales de guía purificadas para ver si éstas hacen que los axones en crecimiento giren. Este tipo de experimentos a menudo se han realizado utilizando organismos modelo embriológicos no genéticos tradicionales, como el pollo y la rana africana con garras . Los embriones de estas especies son fáciles de obtener y, a diferencia de los mamíferos, se desarrollan externamente y son fácilmente accesibles a la manipulación experimental.
Se han estudiado exhaustivamente varios tipos de vías de axones en sistemas modelo para comprender mejor los mecanismos de guía de los axones. Quizás los dos más destacados sean las comisuras y los mapas topográficos. Las comisuras son sitios donde los axones cruzan la línea media de un lado al otro del sistema nervioso. Los mapas topográficos son sistemas en los que grupos de neuronas de un tejido proyectan sus axones a otro tejido en una disposición organizada tal que se mantienen las relaciones espaciales; es decir, las neuronas adyacentes inervarán regiones adyacentes del tejido diana.
Como se describió anteriormente, las señales de guía axonal a menudo se clasifican como "atractivas" o "repulsivas". Esto es una simplificación, ya que diferentes axones responderán de manera diferente a una señal determinada. Además, el mismo cono de crecimiento axonal puede alterar sus respuestas a una señal determinada en función del tiempo, la experiencia previa con la misma u otras señales y el contexto en el que se encuentra la señal. Estos problemas se ejemplifican durante el desarrollo de las comisuras. La simetría bilateral del sistema nervioso significa que los axones encontrarán las mismas señales a ambos lados de la línea media. Antes de cruzar (ipsilateralmente), el cono de crecimiento debe navegar hacia la línea media y ser atraído por ella. Sin embargo, después de cruzarse (contralateralmente), el mismo cono de crecimiento debe ser repelido o perder atracción hacia la línea media y reinterpretar el entorno para localizar el tejido objetivo correcto.
Dos sistemas experimentales han tenido impactos particularmente fuertes en la comprensión de cómo se regula la guía del axón de la línea media:
El uso de poderosas herramientas genéticas en Drosophila condujo a la identificación de una clase clave de señales de guía de axones, las Slits, y sus receptores, los Robos (abreviatura de Roundabout). El cordón nervioso ventral parece una escalera, con tres haces de axones longitudinales (fascículos) conectados por las comisuras, los "peldaños" de la escalera. Hay dos comisuras, anterior y posterior, dentro de cada segmento del embrión.
El modelo actualmente aceptado es que Slit, producido por las células de la línea media, repele los axones de la línea media a través de receptores Robo. Los axones que se proyectan ipsilateralmente (que no se cruzan) siempre tienen receptores Robo en su superficie, mientras que los axones comisurales tienen muy poco o ningún Robo en su superficie, lo que les permite ser atraídos hacia la línea media por las netrinas y, probablemente, otras señales aún no identificadas. Sin embargo, después del cruce, los receptores Robo están fuertemente regulados en el axón, lo que permite que la repulsión mediada por Robo supere la atracción hacia la línea media. Esta regulación dinámica de Robo se logra, al menos en parte, mediante una molécula llamada Comm (abreviatura de Commissureless), que evita que Robo alcance la superficie celular y la apunte para su destrucción. [15]
En la médula espinal de los vertebrados, las neuronas comisurales de las regiones dorsales se proyectan hacia la placa del piso ventral. Los axones ipsilaterales giran antes de llegar a la placa del suelo para crecer longitudinalmente, mientras que los axones comisurales cruzan la línea media y realizan su giro longitudinal en el lado contralateral. Sorprendentemente, Netrins, Slits y Robos también desempeñan funciones funcionales similares en este sistema. Un misterio destacado fue la aparente falta de algún gen de comunicación en los vertebrados. Ahora parece que al menos algunas de las funciones de Comm son realizadas por una forma modificada de Robo llamada Robo3 (o Rig1).
El sistema de la médula espinal fue el primero en demostrar explícitamente la capacidad de respuesta alterada de los conos de crecimiento a las señales después de la exposición a la línea media. Las neuronas explantadas cultivadas en cultivo responderían a la hendidura suministrada exógenamente dependiendo de si habían entrado en contacto o no con el tejido de la placa del suelo. [dieciséis]
Como se describió anteriormente, los mapas topográficos ocurren cuando se mantienen relaciones espaciales entre poblaciones neuronales y sus campos objetivo en otro tejido. Ésta es una característica importante de la organización del sistema nervioso, particularmente en los sistemas sensoriales. El neurobiólogo Roger Sperry propuso un modelo profético para el mapeo topográfico mediado por lo que llamó "etiquetas" moleculares. Las cantidades relativas de estas etiquetas variarían en gradientes en ambos tejidos. Ahora pensamos en estas etiquetas como ligandos (señales) y sus receptores axonales. Quizás la clase de etiquetas mejor comprendida sean los ligandos de Ephrin y sus receptores, los Ephs.
En el tipo más simple de modelo de mapeo, podríamos imaginar un gradiente del nivel de expresión del receptor Eph en un campo de neuronas, como la retina, con las células anteriores expresando niveles muy bajos y las células en la parte posterior expresando los niveles más altos del receptor. Mientras tanto, en el objetivo de las células de la retina (el techo óptico ), los ligandos de Ephrin se organizan en un gradiente similar: de posterior alto a anterior bajo. Los axones de la retina entran en el tectum anterior y avanzan posteriormente. Debido a que, en general, los axones portadores de Eph son repelidos por Ephrins, los axones se volverán cada vez más reacios a continuar a medida que avancen hacia el tectum posterior. Sin embargo, el grado de repulsión lo establece su propio nivel particular de expresión de Eph, que está determinado por la posición del cuerpo celular neuronal en la retina. Por lo tanto, los axones de la retina anterior, que expresan el nivel más bajo de Ephs, pueden proyectarse al tectum posterior, aunque aquí es donde se expresan altamente las Ephrins. Las células de la retina posterior expresan un nivel alto de Eph y sus axones se detendrán más anteriormente en el tectum.
El gran tamaño y la accesibilidad del embrión de pollo lo han convertido en el organismo modelo favorito de los embriólogos. Los investigadores utilizaron al polluelo para purificar bioquímicamente componentes del tectum que mostraron actividad específica contra los axones de la retina en cultivo. Esto llevó a la identificación de Ephs y Ephrins como las supuestas "etiquetas" de Sperry.
La proyección retinotectal también se ha estudiado en Xenopus y pez cebra. El pez cebra es un sistema potencialmente poderoso porque las pruebas genéticas como las realizadas en invertebrados pueden realizarse de manera relativamente sencilla y económica. En 1996, se realizaron exámenes de detección a gran escala en peces cebra, incluidos exámenes para la guía y el mapeo de los axones de la retina. Muchos de los mutantes aún no se han caracterizado.
La genética y la bioquímica han identificado un gran conjunto de moléculas que afectan la guía de los axones. Se comprende menos cómo encajan todas estas piezas. La mayoría de los receptores de guía de axones activan cascadas de transducción de señales que, en última instancia, conducen a la reorganización del citoesqueleto y a las propiedades adhesivas del cono de crecimiento, que en conjunto subyacen a la motilidad de todas las células. Esto ha sido bien documentado en las neuronas corticales de los mamíferos. [17] Sin embargo, esto plantea la cuestión de cómo las mismas señales pueden dar lugar a un espectro de respuestas de diferentes conos de crecimiento. Puede ser que diferentes receptores activen la atracción o la repulsión en respuesta a una única señal. Otra posibilidad es que los complejos receptores actúen como "detectores de coincidencias" para modificar las respuestas a una señal en presencia de otra. Una "interferencia" de señalización similar podría ocurrir intracelularmente, aguas abajo de los receptores en la superficie celular.
De hecho, se ha demostrado que las respuestas de crecimiento de los axones comisurales son atraídas, reprimidas o silenciadas en presencia del receptor DCC activado por Netrin . [18] Esta actividad variable depende de la expresión del receptor Robo o UNC-5 en los conos de crecimiento. De esta manera, el receptor Robo activado por Slit provoca un silenciamiento del potencial atractivo de Netrin a través del receptor DCC. Mientras que los conos de crecimiento expresan el receptor UNC-5, responden de manera repulsiva a la activación de Netrin-DCC. Estos eventos ocurren como consecuencia de interacciones citoplasmáticas entre el receptor DCC activado por Netrin y el receptor Robo o UNC-5, que en última instancia altera la señalización citoplasmática de DCC. Por lo tanto, la imagen que surge es que el avance del cono de crecimiento es muy complejo y está sujeto a la plasticidad de las señales de guía, la expresión del receptor, las interacciones del receptor y los mecanismos de señalización posteriores que influyen en la remodelación del citoesqueleto.
La capacidad de los axones para navegar y ajustar respuestas a diversas señales extracelulares, a largas distancias del cuerpo celular, ha llevado a los investigadores a observar las propiedades intrínsecas de los conos de crecimiento. Estudios recientes revelan que las señales de orientación pueden influir en los cambios espaciotemporales en los axones al modular la traducción local y la degradación de proteínas en los conos de crecimiento. [19] Además, esta actividad parece ocurrir independientemente de la expresión del gen nuclear distal. De hecho, en las células ganglionares de la retina (CGR) con axones cortados por soma, los conos de crecimiento continúan rastreando e inervando el techo de los embriones de Xenopus. [20]
Para adaptarse a esta actividad, se cree que los conos de crecimiento agrupan ARNm que codifican receptores y proteínas de señalización intracelular implicadas en la remodelación del citoesqueleto. [21] En los sistemas de proyección retinotectal de Xenopus, se ha demostrado que la expresión de estas proteínas está influenciada por señales de guía y la posterior activación de la maquinaria de traducción local. La señal atractiva Netrin-1 estimula el transporte de ARNm e influye en la síntesis de β-actina en los filopodios de los conos de crecimiento, para reestructurar y dirigir los conos de crecimiento de las RGC en la dirección de la secreción de Netrin. [22] Mientras que se sugiere que la señal repulsiva, Slit, estimula la traducción de cofilina (un factor despolimerizante de actina) en los conos de crecimiento, lo que lleva a la repulsión del axón. [23] Además, los axones comisurales cortados en los polluelos muestran la capacidad de traducir y expresar el receptor Eph-A2 durante el cruce de la línea media. [24] Como resultado, los estudios sugieren que la expresión local de proteínas es un mecanismo conveniente para explicar la naturaleza rápida, dinámica y autónoma del avance del cono de crecimiento en respuesta a las moléculas guía.
Las técnicas contemporáneas de resonancia magnética ponderada por difusión también pueden descubrir el proceso macroscópico del desarrollo axonal. El conectoma , o el gráfico cerebral, se puede construir a partir de datos de resonancia magnética de difusión : los vértices del gráfico corresponden a áreas cerebrales 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, correspondiente a u y v . 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. [25] [26] El Budapest Reference Connectome Server representa las conexiones cerebrales de n=418 sujetos con un parámetro de frecuencia k: Para cualquier k=1,2,...,n se puede ver el gráfico de los bordes que son presente 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 en crecimiento, como un árbol o un arbusto (visualizado en esta animación en YouTube) . En [27] se plantea la hipótesis de que la estructura en crecimiento copia la estructura en crecimiento. 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 variaciones cada vez mayores, porque sus variaciones se acumulan en el proceso de desarrollo axonal.
La guía de los axones está genéticamente asociada con otras características o rasgos. Por ejemplo, los análisis de enriquecimiento de diferentes vías de señalización llevaron al descubrimiento de una asociación genética con el volumen intracraneal. [28]