La sustancia negra ( SN ) es una estructura de ganglios basales ubicada en el mesencéfalo que desempeña un papel importante en la recompensa y el movimiento . La sustancia negra en latín significa "sustancia negra", lo que refleja el hecho de que partes de la sustancia negra aparecen más oscuras que las áreas vecinas debido a los altos niveles de neuromelanina en las neuronas dopaminérgicas . [1] La enfermedad de Parkinson se caracteriza por la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra pars compacta . [2]
Aunque la sustancia negra aparece como una banda continua en las secciones del cerebro, los estudios anatómicos han descubierto que en realidad consta de dos partes con conexiones y funciones muy diferentes: la pars compacta (SNpc) y la pars reticulata (SNpr). La pars compacta sirve principalmente como proyección del circuito de los ganglios basales, suministrando dopamina al cuerpo estriado . La pars reticulata transmite señales desde los ganglios basales a muchas otras estructuras cerebrales. [3]
La sustancia negra, junto con otros cuatro núcleos, forma parte de los ganglios basales . Es el núcleo más grande del mesencéfalo y se encuentra dorsal a los pedúnculos cerebrales . Los humanos tenemos dos sustancias negras, una a cada lado de la línea media.
El SN se divide en dos partes: la pars reticulata (SNpr) y la pars compacta (SNpc), que se encuentra medial a la pars reticulata. A veces se menciona una tercera región, la pars lateralis, aunque generalmente se clasifica como parte de la pars reticulata. El (SNpr) y el globo pálido interno (GPi) están separados por la cápsula interna . [4]
La pars reticulata tiene un gran parecido estructural y funcional con la parte interna del globo pálido. A veces se considera que los dos son partes de la misma estructura, separados por la sustancia blanca de la cápsula interna. Al igual que las del globo pálido, las neuronas de la pars reticulata son principalmente GABAérgicas . [ cita necesaria ]
La principal entrada al SNpr deriva del cuerpo estriado . Llega por dos vías, conocidas como vía directa e indirecta . La vía directa consta de axones de células espinosas medianas del cuerpo estriado que se proyectan directamente a la pars reticulata. La vía indirecta consta de tres enlaces: una proyección desde las células espinosas del medio estriado hasta la parte externa del globo pálido ; una proyección GABAérgica desde el globo pálido hasta el núcleo subtalámico , y una proyección glutamatérgica desde el núcleo subtalámico hasta la pars reticulata. [5] [ se necesita mejor fuente ] Por lo tanto, la actividad estriatal a través de la vía directa ejerce un efecto inhibidor sobre las neuronas en (SNpr) pero un efecto excitador a través de la vía indirecta. Las vías directa e indirecta se originan a partir de diferentes subconjuntos de células espinosas del medio estriado: están estrechamente entremezcladas, pero expresan diferentes tipos de receptores de dopamina, además de mostrar otras diferencias neuroquímicas.
Se producen proyecciones significativas en el tálamo (núcleos ventral lateral y ventral anterior), el colículo superior y otros núcleos caudales de la pars reticulata (la vía nigrotalámica), [6] que utilizan GABA como neurotransmisor. Además, estas neuronas forman hasta cinco colaterales que se ramifican tanto dentro de la pars compacta como en la pars reticulata, probablemente modulando la actividad dopaminérgica en la pars compacta. [7]
La sustancia negra juega un papel importante en la función cerebral, en particular en el movimiento ocular , la planificación motora , la búsqueda de recompensas , el aprendizaje y la adicción . Muchos de los efectos de la sustancia negra están mediados por el cuerpo estriado . La entrada dopaminérgica nigral al cuerpo estriado a través de la vía nigroestriatal está íntimamente relacionada con la función del cuerpo estriado. [8] La codependencia entre el cuerpo estriado y la sustancia negra se puede ver de esta manera: cuando la sustancia negra es estimulada eléctricamente, no se produce ningún movimiento; sin embargo, los síntomas de la degeneración nigra debido al Parkinson son un ejemplo conmovedor de la influencia de la sustancia negra en el movimiento. Además de las funciones mediadas por el cuerpo estriado, la sustancia negra también sirve como una fuente importante de inhibición GABAérgica para varios objetivos cerebrales.
La pars reticulata de la sustancia negra es un importante centro de procesamiento en los ganglios basales. Las neuronas GABAérgicas de la pars reticulata transmiten las señales procesadas finales de los ganglios basales al tálamo y al colículo superior . Además, la pars reticulata también inhibe la actividad dopaminérgica en la pars compacta a través de axones colaterales, aunque la organización funcional de estas conexiones aún no está clara.
Las neuronas GABAérgicas de la pars reticulata disparan espontáneamente potenciales de acción . En las ratas, la frecuencia de los potenciales de acción es de aproximadamente 25 Hz. [9] El propósito de estos potenciales de acción espontáneos es inhibir los objetivos de los ganglios basales, y la disminución de la inhibición se asocia con el movimiento. [10] El núcleo subtalámico proporciona información excitadora que modula la velocidad de activación de estos potenciales de acción espontáneos. Sin embargo, la lesión del núcleo subtalámico conduce a sólo una disminución del 20% en la tasa de activación de la pars reticulata, lo que sugiere que la generación de potenciales de acción en la pars reticulata es en gran medida autónoma, [11] como lo ejemplifica el papel de la pars reticulata en el movimiento ocular sacádico . Un grupo de neuronas GABAérgicas de la pars reticulata se proyecta al colículo superior y exhibe un alto nivel de actividad inhibidora sostenida. [12] Las proyecciones desde el núcleo caudado al colículo superior también modulan el movimiento ocular sacádico. En la enfermedad de Parkinson [13] y en la epilepsia se encuentran patrones alterados de disparo de la pars reticulata, como disparos de un solo pico o de ráfagas . [14]
La función más destacada de la pars compacta es el control motor , [15] aunque el papel de la sustancia negra en el control motor es indirecto; La estimulación eléctrica de la sustancia negra no produce movimiento, debido a la mediación del cuerpo estriado en la influencia nigra del movimiento. La pars compacta envía información excitadora al cuerpo estriado a través de la vía D1 que excita y activa el cuerpo estriado, lo que resulta en la liberación de GABA en el globo pálido para inhibir sus efectos inhibidores sobre el núcleo talámico. Esto hace que las vías talamocorticales se exciten y transmitan señales de las neuronas motoras a la corteza cerebral para permitir el inicio del movimiento, que está ausente en la enfermedad de Parkinson. Sin embargo, la falta de neuronas de la pars compacta tiene una gran influencia en el movimiento, como lo demuestran los síntomas del Parkinson. La función motora de la pars compacta puede implicar el control motor fino, como se ha confirmado en modelos animales con lesiones en esa región. [dieciséis]
La pars compacta está muy involucrada en las respuestas aprendidas a los estímulos. En primates, la actividad de las neuronas dopaminérgicas aumenta en la vía nigroestriatal cuando se presenta un nuevo estímulo. [17] La actividad dopaminérgica disminuye con la presentación repetida de estímulos. [17] Sin embargo, la presentación de estímulos conductualmente significativos (es decir, recompensas) continúa activando neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra pars compacta. Proyecciones dopaminérgicas desde el área tegmental ventral (parte inferior del "mesencéfalo" o mesencéfalo) a la corteza prefrontal (vía mesocortical) y al núcleo accumbens (vía mesolímbica – "meso" se refiere a "desde el mesencéfalo"... específicamente el área tegmental ventral ) están implicados en la recompensa, el placer y el comportamiento adictivo. La pars compacta también es importante en el aprendizaje espacial, las observaciones sobre el entorno y la ubicación en el espacio. Las lesiones en la pars compacta conducen a déficits de aprendizaje en la repetición de movimientos idénticos, [18] y algunos estudios señalan su participación en un sistema de memoria basado en respuestas, dependiente del cuerpo estriado dorsal, que funciona relativamente independiente del hipocampo , que tradicionalmente se cree que sirve Funciones de memoria espacial o episódica . [19]
La pars compacta también desempeña un papel en el procesamiento temporal y se activa durante la reproducción del tiempo. Las lesiones en la pars compacta provocan déficits temporales. [20] Últimamente, se sospecha que la pars compacta regula el ciclo de sueño-vigilia, [21] lo cual es consistente con síntomas como el insomnio y las alteraciones del sueño REM que informan los pacientes con enfermedad de Parkinson . Aun así, los déficits parciales de dopamina que no afectan el control motor pueden provocar alteraciones en el ciclo sueño-vigilia, especialmente patrones de actividad neuronal similares a REM mientras se está despierto, especialmente en el hipocampo . [22]
La sustancia negra es fundamental en el desarrollo de muchas enfermedades y síndromes, incluido el parkinsonismo y la enfermedad de Parkinson . Existe un estudio que muestra que la administración de estimulación de alta frecuencia a la sustancia negra izquierda puede inducir síntomas de depresión aguda transitoria. [23]
La enfermedad de Parkinson es una enfermedad neurodegenerativa caracterizada, en parte, por la muerte de neuronas dopaminérgicas en el SNpc. Los principales síntomas de la enfermedad de Parkinson incluyen temblor , acinesia , bradicinesia y rigidez. [24] Otros síntomas incluyen alteraciones de la postura, fatiga , anomalías del sueño y estado de ánimo deprimido . [25]
Se desconoce la causa de la muerte de las neuronas dopaminérgicas en el SNpc. Sin embargo, se han identificado algunas contribuciones a la susceptibilidad única de las neuronas dopaminérgicas en la pars compacta. Por un lado, las neuronas dopaminérgicas muestran anomalías en el complejo mitocondrial 1 , lo que provoca agregación de alfa-sinucleína ; esto puede provocar una manipulación anormal de las proteínas y la muerte de las neuronas. [26] En segundo lugar, las neuronas dopaminérgicas de la pars compacta contienen menos calbindina que otras neuronas dopaminérgicas. [27] La calbindina es una proteína involucrada en el transporte de iones de calcio dentro de las células, y el exceso de calcio en las células es tóxico. La teoría de la calbindina explicaría la elevada citotoxicidad del Parkinson en la sustancia negra en comparación con la zona tegmental ventral. Independientemente de la causa de la muerte neuronal, la plasticidad de la pars compacta es muy robusta; Los síntomas parkinsonianos generalmente no aparecen hasta que al menos el 30% de las neuronas dopaminérgicas de la pars compacta hayan muerto. [28] La mayor parte de esta plasticidad se produce a nivel neuroquímico; Los sistemas de transporte de dopamina se ralentizan, lo que permite que la dopamina permanezca durante períodos más prolongados en las sinapsis químicas del cuerpo estriado. [29]
Menke, Jbabdi, Miller, Matthews y Zari (2010) utilizaron imágenes con tensor de difusión, así como mapeo T1 para evaluar las diferencias volumétricas en SNpc y SNpr, en participantes con Parkinson en comparación con individuos sanos. Estos investigadores encontraron que los participantes con Parkinson tenían consistentemente una sustancia negra más pequeña, específicamente en el SNpr. Debido a que el SNpr está conectado al tálamo posterior, al tálamo ventral y específicamente a la corteza motora, y debido a que los participantes con enfermedad de Parkinson informan tener un SNprs más pequeño (Menke, Jbabdi, Miller, Matthews y Zari, 2010), el pequeño volumen de esta región puede ser responsable de las deficiencias motoras encontradas en pacientes con enfermedad de Parkinson. Este pequeño volumen puede ser responsable de movimientos motores más débiles y/o menos controlados, lo que puede provocar los temblores que suelen experimentar las personas con Parkinson. [30]
El estrés oxidativo y el daño oxidativo en el SNpc son probablemente factores clave en la etiología de la enfermedad de Parkinson a medida que los individuos envejecen. [31] Los daños en el ADN causados por el estrés oxidativo pueden repararse mediante procesos modulados por la alfa-sinucleína . [32] La alfa sinucleína se expresa en la sustancia negra, pero su función de reparación del ADN parece estar comprometida en las neuronas que contienen cuerpos de Lewy . [32] Esta pérdida puede desencadenar la muerte celular.
Durante mucho tiempo se ha implicado a los niveles elevados de dopamina en el desarrollo de la esquizofrenia . [33] Sin embargo, hasta el día de hoy continúa mucho debate en torno a esta hipótesis de la dopamina en la esquizofrenia . A pesar de la controversia, los antagonistas de la dopamina siguen siendo un tratamiento estándar y exitoso para la esquizofrenia. Estos antagonistas incluyen antipsicóticos de primera generación (típicos) como butirofenonas , fenotiazinas y tioxantenos . Estos fármacos han sido reemplazados en gran medida por antipsicóticos de segunda generación (atípicos) como la clozapina y la paliperidona . En general, estos fármacos no actúan sobre las neuronas productoras de dopamina, sino sobre los receptores de la neurona postsináptica.
Otra evidencia no farmacológica que respalda la hipótesis de la dopamina relacionada con la sustancia negra incluye cambios estructurales en la pars compacta, como la reducción del tamaño del terminal sináptico. [34] Otros cambios en la sustancia negra incluyen una mayor expresión de los receptores NMDA en la sustancia negra y una expresión reducida de disbindina . El aumento de los receptores NMDA puede indicar la participación de las interacciones glutamato - dopamina en la esquizofrenia. La disbindina, que se ha relacionado (de manera controvertida) con la esquizofrenia, puede regular la liberación de dopamina, y la baja expresión de disbindina en la sustancia negra puede ser importante en la etiología de la esquizofrenia. [35] Debido a los cambios en la sustancia negra en el cerebro esquizofrénico, eventualmente puede ser posible utilizar técnicas de imágenes específicas (como imágenes específicas de neuromelanina) para detectar signos fisiológicos de esquizofrenia en la sustancia negra. [36]
El cofre de madera , también llamado síndrome de rigidez de la pared torácica por fentanilo, es un efecto secundario poco común de los opioides sintéticos como el fentanilo , el sulffentanilo, el alfentanilo y el remifentanilo . Da como resultado un aumento generalizado del tono del músculo esquelético . Se cree que el mecanismo se debe a una mayor liberación de dopamina y una disminución de la liberación de GABA en los nervios de la sustancia negra/estriado. El efecto es más pronunciado en los músculos de la pared torácica y puede provocar una ventilación deficiente. La afección se observa con mayor frecuencia en anestesia, donde se administran dosis altas y rápidas de estos medicamentos por vía intravenosa. [ cita necesaria ]
La atrofia multisistémica caracterizada por degeneración neuronal en el cuerpo estriado y la sustancia negra se denominaba anteriormente degeneración estriatonigral .
La manipulación y modificación química de la sustancia negra es importante en los campos de la neurofarmacología y la toxicología . Varios compuestos como la levodopa y el MPTP se utilizan en el tratamiento y estudio de la enfermedad de Parkinson, y muchos otros fármacos tienen efectos sobre la sustancia negra.
Los estudios han demostrado que, en ciertas regiones del cerebro, la anfetamina y las trazas de aminas aumentan las concentraciones de dopamina en la hendidura sináptica , aumentando así la respuesta de la neurona postsináptica. [37] Los diversos mecanismos por los cuales la anfetamina y las trazas de aminas afectan las concentraciones de dopamina se han estudiado ampliamente y se sabe que involucran tanto a DAT como a VMAT2 . [37] [38] [39] La anfetamina tiene una estructura similar a la dopamina y las trazas de aminas; como consecuencia, puede ingresar a la neurona presináptica a través de DAT y también difundiéndose directamente a través de la membrana neural. [37] Al ingresar a la neurona presináptica, la anfetamina y las trazas de aminas activan TAAR1 , que, a través de la señalización de la proteína quinasa , induce el flujo de salida de dopamina, la internalización de DAT dependiente de la fosforilación y la inhibición de la recaptación no competitiva. [37] [40] Debido a la similitud entre la anfetamina y las trazas de aminas, también es un sustrato para los transportadores de monoaminas; como consecuencia, inhibe (competitivamente) la recaptación de dopamina y otras monoaminas al competir también con ellas por la absorción. [37]
Además, la anfetamina y las trazas de aminas son sustratos del transportador neuronal de monoaminas vesicular, el transportador vesicular de monoaminas 2 (VMAT2). [39] Cuando VMAT2 absorbe la anfetamina , la vesícula libera (efluye) moléculas de dopamina al citosol a cambio. [39]
El mecanismo de acción de la cocaína en el cerebro humano incluye la inhibición de la recaptación de dopamina, [41] lo que explica las propiedades adictivas de la cocaína, ya que la dopamina es el neurotransmisor fundamental para la recompensa. Sin embargo, la cocaína es más activa en las neuronas dopaminérgicas del área tegmental ventral que en la sustancia negra. La administración de cocaína aumenta el metabolismo de la sustancia negra, lo que puede explicar la función motora alterada que se observa en los sujetos que consumen cocaína. [42] La inhibición de la recaptación de dopamina por la cocaína también inhibe la activación de potenciales de acción espontáneos por parte de la pars compacta. [43] El mecanismo por el cual la cocaína inhibe la recaptación de dopamina implica su unión a la proteína transportadora de dopamina . Sin embargo, los estudios muestran que la cocaína también puede causar una disminución en los niveles de ARNm de DAT , [44] probablemente debido a que la cocaína bloquea los receptores de dopamina en lugar de a una interferencia directa con las vías transcripcionales o traduccionales. [44]
La inactivación de la sustancia negra podría resultar un posible tratamiento para la adicción a la cocaína. En un estudio con ratas dependientes de la cocaína, la inactivación de la sustancia negra mediante cánulas implantadas redujo en gran medida la recaída en la adicción a la cocaína. [45]
La sustancia negra es el objetivo de la terapéutica química para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson. La levodopa (comúnmente conocida como L-DOPA), el precursor de la dopamina, es el medicamento más comúnmente recetado para la enfermedad de Parkinson, a pesar de la controversia sobre la neurotoxicidad de la dopamina y la L-DOPA. [46] El fármaco es especialmente eficaz en el tratamiento de pacientes en las primeras etapas del Parkinson, aunque pierde su eficacia con el tiempo. [47] La levodopa puede cruzar la barrera hematoencefálica y aumenta los niveles de dopamina en la sustancia negra, aliviando así los síntomas de la enfermedad de Parkinson. El inconveniente del tratamiento con levodopa es que trata los síntomas del Parkinson (niveles bajos de dopamina), en lugar de la causa (la muerte de las neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra).
MPTP , es una neurotoxina específica de las células dopaminérgicas del cerebro, concretamente de la sustancia negra. El MPTP saltó a la fama en 1982, cuando consumidores de heroína en California mostraron síntomas parecidos a los del Parkinson después de consumir MPPP contaminado con MPTP. Los pacientes, que estaban rígidos y casi completamente inmóviles, respondieron al tratamiento con levodopa. No se informó ninguna remisión de los síntomas similares al Parkinson, lo que sugiere una muerte irreversible de las neuronas dopaminérgicas. [48] El mecanismo propuesto de MPTP implica la alteración de la función mitocondrial , incluida la alteración del metabolismo y la creación de radicales libres . [49]
Poco después, se probó el MPTP en modelos animales para determinar su eficacia para inducir la enfermedad de Parkinson (con éxito). El MPTP indujo acinesia, rigidez y temblor en primates, y se descubrió que su neurotoxicidad era muy específica de la sustancia negra pars compacta. [50] En otros animales, como los roedores, la inducción del Parkinson por MPTP es incompleta o requiere dosis mucho más altas y frecuentes que en los primates. Hoy en día, el MPTP sigue siendo el método preferido para inducir la enfermedad de Parkinson en modelos animales . [49] [51]
La sustancia negra fue descubierta en 1784 por Félix Vicq-d'Azyr , [52] y Samuel Thomas von Sömmerring aludió a esta estructura en 1791. [53] La diferenciación entre la sustancia negra pars reticulata y compacta fue propuesta por primera vez por Sano en 1910 [54] En 1963, Oleh Hornykiewicz concluyó a partir de su observación que "la pérdida de células en la sustancia negra (de los pacientes con enfermedad de Parkinson) bien podría ser la causa del déficit de dopamina en el cuerpo estriado". [55]
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