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Marta Martinez Martinez | Plasticidad sináptica

10 Plasticidadsináptica F. Jáuregui Huerta, D. Morán Torres, Y. Ruvalcaba Delgadillo y L. Zhang Ji «La nueva biología mental sugiere que no solo el cuerpo, sino la mente y las moléculas específicas que intervienen en los procesos mentales su‐ periores –la conciencia de sí y de los otros, del pasado y del futuro– evolucionaron a su vez desde la época de nuestros antepasados. Además, esta nueva biología postula que la conciencia es un proceso biológico que, a su debido tiempo, podrá explicarse en términos de vías de señaliza‐ ción moleculares utilizadas por poblaciones de células nerviosas que interactúan entre sí… Los mecanismos celulares del aprendizaje y de la me‐ moria no descansan en propiedades especiales de la neurona, sino en las conexiones que ella establece con otras células de su propio circuito neuronal» Erik Kandel

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Comprender la trascendencia de la sinapsis en el procesamiento de información y la actividad cerebral.

Conocer los principales modelos experimentales en el estudio de la plasticidad sináptica. Describir y analizar los conocimientos celulares y moleculares detrás de los eventos asociados a la plasticidad sináptica. Integrar los conocimientos experimentales que el estudio de los fenómenos de plasticidad ha aportado, en un modelo de funcionamiento cerebral general.

RESUMEN CONCEPTUAL El sistema nervioso facilita la adaptación de los individuos gracias a la actividad de alrededor de 86 billones de neuronas que se organizan y co-

munican para recibir, procesar y responder a todo tipo de información. La sinapsis es el espacio anatómico y funcional que permite la comunicación entre neuronas. La sinapsis es también la estructura neural más versátil a propósito de la adaptación. La plasticidad sináptica es una poderosa herramienta que el cerebro posee para adaptarse a los cambios ambientales. La sinapsis posee una forma peculiar para registrar cambios en su actividad y generar estrategias fisiológicas que le permiten adaptarse. Cuando la actividad nerviosa cambia de manera significativa, las sinapsis modifican en correspondencia su modo de funcionar aumentando o disminuyendo su eficiencia. Se estudiarán en este capítulo los mecanismos celulares y moleculares que existen detrás de la adaptación sináptica, deteniéndose en aquellos eventos que determinan la plasticidad, tanto en el corto como en el largo plazo, e intentando comprenderlos en su relación con la compleja actividad que realiza el cerebro cuando aprende y registra la actividad.

Introducción tación y aprendizaje están en gran medida relacionados y confluLlegados a este punto del libro, es posible que el lector en al-

yen en la actividad cerebral.

gún momento se haya hecho alguna pregunta que podría pare-

La compresión del tema de la relación entre la adaptación, el

cerse a las siguientes: ¿Qué hace que nos adaptemos al ambiente?,

aprendizaje y el cerebro debe mucho también al psicobiólogo

¿cómo hacemos que lo que ocurre en el entorno se represente en nosotros y tomemos decisiones apropiadas para la adaptación?,

canadiense Donald Hebb por sistematizar, plantear y proponer lo que hoy se conoce como bases psicobiológicas del aprendiza-

¿cómo aprendemos de la experiencia?, o ¿cómo hacemos para que

je y la actividad cognitiva. Si bien existían alusiones previas al

lo aprendido perdure en el tiempo?

rol que el cerebro podría jugar en el aprendizaje y la memoria,

Para los psicobiólogos, el cerebro, sus neuronas y sus sinapsis son indispensables cuando se intenta responder a estas pregun-

fue la publicación de su libro The organization of Behavior (La organización de la conducta) de 1949, lo que sistematizó y co-

tas. Se vio en el capítulo 'La Psicobiología' que la Psicobiología

locó el tema en la dimensión que en la actualidad ocupa. Uno de

resultó extraordinariamente enriquecida cuando se apropió de las

los planteamientos centrales de la teoría de Hebb que intenta

ideas de Cajal, a propósito de su visión del cerebro como un ór-

explicar la forma en que el cerebro cambia para adaptarse a la

gano conformado por células nerviosas que se comunican entre sí para realizar acciones complejas. Esas nociones sirvieron entre

experiencia dice lo siguiente:

otras cosas, como base para el posicionamiento de la sinapsis como entorno estructural y funcional sobre el que opera la comunicación entre neuronas y, en consecuencia, la capacidad adaptativa del sistema nervioso. Si se considera luego que gran parte de lo que se refiere a adaptación tiene que ver con la capacidad que los organismos poseen para adquirir, almacenar, procesar y recuperar información, caeremos también en la cuenta de que adap-

«Cuando el axón de una célula A está lo suficientemente cerca como para excitar a una célula B, o que repetida y consistentemente participa en su excitación, ocurre algún tipo de crecimiento o cambio metabólico en una o en ambas células que hace que la eficiencia de la célula A, como una de las células que excitan a B, se incremente»

© EDITORIAL MÉDICA PANAMERICANA S.A. Todos los derechos reservados. Este libro o cualquiera de sus partes no podrán ser reproducidos ni archivados en sistemas recuperables, ni transmitidos en ninguna forma o por ningún medio, ya sean mecánicos, electrónicos, fotocopiadoras, grabaciones o cualquier otro, sin el permiso previo de Editorial Médica Panamericana S.A.

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Tal vez al lector que comienza a enterarse del tema no le parezca que el anterior planteamiento tenga mucho sentido en este momento. Podríamos sin embargo, tener una aproximación introductoria a este tema si leemos la afirmación de Hebb de la siguiente manera: consideremos una red neuronal simple en la que una neurona A (postsináptica) recibe información de dos neuronas B y C (presinápticas), y que cada una de ellas procesa información distinta. Una de las dos conexiones presinápticas (B) está conectada fuertemente a A y la otra (C), está conectada débilmente. Es lógico pensar entonces que, en este sistema, la posibilidad de que A genere un potencial de acción o «disparo» es mayor cuando B dispara sobre ella que cuando C lo hace. Pero imaginemos que ocasionalmente ocurre que los estímulos que procesan las dos neuronas presinápticas (B y C) coinciden en el tiempo y como resultado ambas disparan casi simultáneamente sobre la neurona postsináptica (A). En este escenario, la conexión débil ocurre al mismo tiempo que la conexión fuerte. Como resultado, la relación entre C y A cambiará, fortaleciendo esa conexión. Así, la conexión que C establece con A adquirirá a partir de esta experiencia mayor fuerza, y la probabilidad de que su activación produzca un disparo en A será mayor en el futuro. Los psicobiólogos denominan a esto aprendizaje hebbiano y, aunque se conocen otros esquemas de aprendizaje y formas de representarlos en la actividad cerebral, en la actualidad sigue siendo el mejor referente para explicar la mayoría de los cambios sinápticos que ocurren en el cerebro cuando

Las sinapsis representan una especie de «nodo» de comunicación en la muy vasta red que los billones de neuronas establecen entre sí. El nodo es el espacio anatómico y funcional que comunica a una neurona con otra. Cada nodo posee una estructura similar integrada por un elemento presináptico, perteneciente generalmente a un terminal axónico, y un elemento postsináptico, perteneciente generalmente a una espina dendrítica. Las sinapsis químicas (las más abundantes, tal como se vio en el capítulo 'Comunicación neuronal') utilizan neurotransmisores como herramientas de comunicación y su liberación es un proceso altamente regulado. Para que un neurotransmisor se libere y complete un ciclo comunicativo, la neurona debe generar un potencial de acción cerca del soma celular, propagarse a lo largo del axón e invadir el terminal sináptico para abrir canales Ca 2+ dependientes de voltaje. La entrada de Ca2+ en el terminal sináptico provoca la liberación de vesículas que contienen el neurotransmisor. Las vesículas liberan su contenido hacia la hendidura sináptica y el neurotransmisor es detectado por receptores adosados a la membrana de la célula postsináptica. El neurotransmisor promueve cambios que afectan a la capacidad conductiva de la neurona postsináptica e inmediatamente se iniciativa, completando así un ciclo sináptico (La Fig.10-1ilustra una neurona con sus componentes sinápticos básicos).

éste se adapta. Si se consideran a las neuronas como unidades que comple-

Si has comprendido un poco la propuesta de Hebb, intuirás que la sinapsis es la estructura central en ese planteamiento y que, en consecuencia, su estudio será crucial en la comprensión de las bases fisiológicas del aprendizaje. Para fines prácticos, la idea detrás de la propuesta hebbia-

tan este ciclo en diferentes momentos y en diferentes localizaciones, y se piensa además que cada una de ellas puede recibir, integrar y emitir información, las posibilidades de procesamiento son entonces algo muy cercano a lo infinito. Se sabe sin embargo, que la información en el cerebro se representa y procesa a manera de código. Se deben considerar tres aspectos para entender este código:

na es que hay un sustrato celular relativamente simple detrás de funciones cerebrales tan complejas como el aprendizaje y la memoria. Se centrará pues la atención en presentar y comprender los conocimientos que con el paso de los años se han adquirido en torno al modo en que las sinapsis y sus componentes moleculares participan en los procesos cerebrales que sustentan la cognición y la adaptación.

1. El código de espacio representado por la ubicación o localización del estímulo. 2. El código de frecuencia temporal representado por la cantidad de veces que un estímulo o ciclo comunicativo se produce en un tiempo determinado. 3. El reclutamiento de fibras activadas representado por el tamaño de la población de sinapsis activadas.

Basessinápticasdelaplasticidad cerebral

Se hará referencia frecuentemente a estos conceptos a lo largo del capítulo, bajo la premisa de que los eventos propios de la plasticidad involucran la actividad sináptica básica y que la mayoría de los conocimientos que se han generado en el tema consideran, en mayor o menor medida, la codificación de información.

Ya en el capítulo 'Comunicación neuronal' se hizo una amplia revisión de la sinapsis como elemento central en la comunicación neuronal y no se profundizará más en el tema. Se reconsiderarán aquí solo los eventos que desde la prespectiva sináptica han determinado el estudio de la plasticidad sináptica y que serán indispensables para la comprensión de este capítulo. Así pues, se recuerdan a continuación los principales puntos clave:

Lasformasmássimplesdeaprendizaje: habituaciónysensibilización Desde el punto de vista psicobiológico es claramente benéfico para la adaptación aprender a ignorar estímulos que no tienen

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tudiada inicialmente por Thompson y Spencer en el reflejo de

Dendritas

flexión en gatos. Ellos demostraron que este reflejo era susceptible de habituación y que detrás de ese fenómeno había un cambio fisiológico que afectaba a las conexiones neurales que lo regulan. Siendo más específicos, postularon que el cambio consistía en un decremento en la fuerza o eficiencia de conexión sináptica que se da entre las interneuronas excitatorias y las neuronas motoras que efectúan el movimiento reflejo (no con las neuronas sensoriales que reconocen el estímulo que desencadena el reflejo). Sin embargo, la complejidad de organización celular en la Soma

médula espinal del gato, hizo difícil ir más allá en la comprensión de los mecanismos celulares y moleculares que subyacen a la habituación. La adopción de un modelo más simple permitió posteriormente un gran avance en el conocimiento de ese tema. Eric Kandel y su equipo recurrieron a un molusco marino denominado Aplysia californica. Notaron que, tal como ocurre en el gato o como ocurriría en nuestro ojo cuando lo cerramos después de que alguien

Axón

nos sopla suavemente, Aplysia retrae su branquia de manera reAs

ZA

Ax

MP b

VS

fleja si se le estimula con un chorro de agua en una estructura denominada sifón. Sin embargo, tanto en nosotros como en Aplysia, la respuesta refleja puede disminuir notablemente si el estímulo que la desencadena se presenta repetidamente. Es decir, nosotros dejaríamos de cerrar el ojo o Aplysia dejaría de contraer su bran-

Terminal axónico

mp d HS

quia si alguien nos soplara o le echara agua persistentemente. Esd

As DPS

taríamos entonces habituados y, en el sentido estricto, nuestra conducta cambiaría a manera de aprendizaje. En el caso de la habituación del reflejo branquial, habría que preguntarse qué cambia en el sistema nervioso del animal a medida que se produce ese simple aprendizaje y éste deja de respon-

Fig.10-1 | Representación de una neurona con sus componentes morfológicos característicos. En la imagen se representan las diferentes partes de una neurona y se incluye una micrografía tomada con microscopia electrónica de transmisión donde se aprecian los elementos ultraestructurales de una sinapsis química: botón terminal axónico (b), vesículas sinápticas (VS), zona activa (ZA), membrana presináptica (MP), hendidura sináptica (HS), dendrita (d), membrana postsináptica (mp), densidad postsináptica (DPS), astrocitos (As) y axón (Ax). (Sinapsis entre fibras paralelas y dendritas de células de Purkinje rodeadas por procesos de glía de la capa molecular de la corteza cerebelosa de rata). Autora de la imagen: Limei Zhang.

valor para la supervivencia y, en contraparte, aprender a responder eficientemente a los que sí lo tienen. La habituación explicaría el primer fenómeno y la sensibilización explicaría el segundo. En tanto fenómenos de adaptación, deberían ambos producir cam-

der con retracción branquial ante la estimulación del sifón. Si se considera el sencillo sistema que controla este reflejo, se comprobará que existen tres posibilidades: 1. Que el sitio nervioso mediante el cual el molusco «siente» el agua sea en efecto menos sensible. 2. Que la comunicación sináptica entre la neurona que siente el agua y la que efectúa la respuesta de retracción se haya modificado de manera que se reduzca la respuesta. 3. Que el músculo encargado de la retracción se vuelva menos sensible a la estimulación proveniente de la neurona que le envía la orden para contraerse (v. Fig.10-2).

bios fisiológicos cuya marca debería involucrar a las neuronas y su actividad sináptica. Efectivamente, la evidencia experimental de este planteamiento fue inicialmente proporcionada por Ri-

Los trabajos experimentales de Eric Kandel y otros investigadores han demostrado que el punto medular para responder a

chard Thompson y Alden Spencer quienes poco después de la pu-

esta cuestión está en la segunda posibilidad, es decir, en las si-

blicación de los trabajos de Hebb demostraron que las experien-

napsis que comunican a la neurona sensitiva que inerva la piel del

cias de habituación (la forma simple de aprendizaje que nos permitiría aprender a ignorar lo irrelevante) y de sensibilización (la

sifón con la neurona motora que hace que el músculo se contraiga. En cierta forma, una confirmación en un sistema mucho más

que nos permitiría responder más eficientemente), hacen que las

simple de la propuesta inicial de Spencer y Thompson en el refle-

conexiones sinápticas se fortalezcan (como inicialmente postuló

jo del gato.

Hebb) o se debiliten según el caso.

Cuando la respuesta de un sujeto a un estímulo determinado disminuye por efecto de la repetición, se dice que el sujeto se ha habituado.

Y bien, ¿cómo funciona esta sinapsis y por qué es esencial en el proceso de aprendizaje? Se ha visto ya en el capítulo 'Comunicación neuronal', y repasado en este mismo capítulo, el modo general en el que funcionan las sinapsis. Si se considera entonces que la sinapsis a la que se está haciendo referencia es tal que utiliza el neurotransmisor glutamato para comunicar a la neurona sensorial con la neurona motora y con alguna eventual interneu-

La habituación, que en la neurociencia cognitiva ha sido clasi-

rona, el resultado de activar a la neurona sensorial dirigiendo el

ficada como una forma simple de aprendizaje implícito, fue es-

chorro de agua al sifón, será la liberación de glutamato y la con-

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túa» la respuesta a la misma (las ramas sensoriales o motoras del circuito). Pero ante la pregunta: ¿qué componente específico de la sinapsis cambia cuando la generación de potenciales postsinápticos se altera? La respuesta es también, en gran parte, un

Aplysia California

aporte del grupo de investigadores liderado por Kandel. DesNeurona motora

Interneurona

pués de varios experimentos en los que analizaron la cantidad de neurotransmisor que se libera en cada pulso, demostraron que la neurona sensorial o presináptica libera menos cantidad de neurotransmisor a medida que el animal se habitúa. Encontraron también que la sensibilidad del receptor postsináptico lo que la lógica indica que sería otra muy viable posibilidad- no cambia en esta particular situación y que, en consecuencia, el fenómeno de habituación puede más bien atribuirse a la actividad presináptica. Se volverá al tema del glutamato y su actividad presináptica y postsináptica más adelante en el capítulo

Branquia

cuando se explique la base molecular de éste y otros fenómenos asociados a la plasticidad. Algo semejante a lo anterior ocurre cuando la conducta se mueve en la otra dirección, es decir, en el fenómeno de sensibilización.

Sifón

Neurona sensorial

Fig.10-2 | Representación esquemática de Aplysia californica y los principales componentes neurales del reflejo de retracción branquial. Cuando se aplica un estímulo al sifón se observa una contracción de la branquia. El estímulo es percibido por la neurona sensitiva que proviene del sifón y genera un potencial excitatorio que permite una respuesta eficaz, gracias a su capacidad para activar a la neurona motora que controla el músculo de la branquia. Kandel observó que la reacción al estímulo desciende a medida que éste se repite y que después de 10 o 15 repeticiones puede incluso cesar por completo. Autor de la imagen: Fernando Jáuregui Huerta.

Cuando la respuesta de un sujeto a un estímulo determinado se intensifica o ...