Plasticidad sinaptica, parte del libro PDF

Preview

Summary

Por si no lo tenéis descargado, está aquí puesto en pdf por si no lo podéis ver un día online pr cualquier motivo. Viene bien...

Description

1 de 22

I Criballes | 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.

2 de 22

I Criballes | Plasticidad sináptica

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 éste se adapta.

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.

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.10-1 ilustra una neurona con sus componentes sinápticos básicos). Si se consideran a las neuronas como unidades que completan 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

Para fines prácticos, la idea detrás de la propuesta hebbiana es que hay un sustrato celular relativamente simple detrás de

embargo, que la información en el cerebro se representa y procesa a manera de código. Se deben considerar tres aspectos

funciones cerebrales tan complejas como el aprendizaje y la

para entender este código:

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

Basessinápticasdelaplasticidad cerebral

tamaño de la población de sinapsis activadas.

Ya en el capítulo 'Comunicación neuronal' se hizo una am-

Se hará referencia frecuentemente a estos conceptos a lo largo del capítulo, bajo la premisa de que los eventos propios

plia revisión de la sinapsis como elemento central en la comu-

de la plasticidad involucran la actividad sináptica básica y que

nicación neuronal y no se profundizará más en el tema. Se re-

la mayoría de los conocimientos que se han generado en el

considerarán aquí solo los eventos que desde la prespectiva si-

tema consideran, en mayor o menor medida, la codificación

náptica han determinado el estudio de la plasticidad sináptica y que serán indispensables para la comprensión de este capí-

de información.

tulo. Así pues, se recuerdan a continuación los principales puntos clave:

© 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.

3 de 22

I Criballes | Plasticidad sináptica

Desde el punto de vista psicobiológico es claramente benéfico

Dendritas

para la adaptación aprender a ignorar estímulos que no tienen 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 cambios fisiológicos cuya marca debería involucrar a las neuronas y su actividad sináptica. Efectivamente, la evidencia experimental de este planteamiento fue inicialmente proporcionada por Richard Thompson y Alden Spencer quienes poco después de la puSoma

blicación de los trabajos de Hebb demostraron que las experiencias de habituación (la forma simple de aprendizaje que nos permitiría aprender a ignorar lo irrelevante) y de sensibilización (la que nos permitiría responder más eficientemente), hacen que las conexiones sinápticas se fortalezcan (como inicialmente postuló Hebb) o se debiliten según el caso.

Axón

As

ZA

Ax

MP b

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

VS

La habituación, que en la neurociencia cognitiva ha sido clasificada como una forma simple de aprendizaje implícito, fue es-

Terminal axónico

mp d HS

tudiada inicialmente por Thompson y Spencer en el reflejo de d

As DPS

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 sináp-

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.

tica 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 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

Lasformasmássimplesdeaprendizaje: habituaciónysensibilización

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 nos sopla suavemente, Aplysia retrae su branquia de manera re-

Desde el punto de vista psicobiológico es claramente benéfico para la adaptación aprender a ignorar estímulos que no

fleja si se le estimula con un chorro de agua en una estructura denominada sifón. Sin embargo, tanto en nosotros como en Aplysia,

tienen valor para la supervivencia y, en contraparte, aprender

la respuesta refleja puede disminuir notablemente si el estímulo

a responder eficientemente a los que sí lo tienen. La habitua-

que la desencadena se presenta repetidamente. Es decir, nosotros

ción explicaría el primer fenómeno y la sensibilización explicaría el segundo. En tanto fenómenos de adaptación, deberían

dejaríamos de cerrar el ojo o Aplysia dejaría de contraer su branquia si alguien nos soplara o le echara agua persistentemente. Es-

ambos producir cambios fisiológicos cuya marca debería invo-

taríamos entonces habituados y, en el sentido estricto, nuestra

lucrar a las neuronas y su actividad sináptica. Efectivamente,

conducta cambiaría a manera de aprendizaje.

la evidencia experimental de este planteamiento fue inicial-

En el caso de la habituación del reflejo branquial, habría que

mente proporcionada por Richard Thompson y Alden Spencer quienes poco después de la publicación de los trabajos de Hebb

preguntarse qué cambia en el sistema nervioso del animal a medida que se produce ese simple aprendizaje y éste deja de respon-

demostraron que las experiencias de habituación (la forma

der con retracción branquial ante la estimulación del sifón. Si se

simple de aprendizaje que nos permitiría aprender a ignorar lo

considera el sencillo sistema que controla este reflejo, se compro-

irrelevante) y de sensibilización (la que nos permitiría responder más eficientemente), hacen que las conexiones sinápticas

bará que existen tres posibilidades:

se fortalezcan (como inicialmente postuló Hebb) o se debiliten según el caso.

1. Que el sitio nervioso mediante el cual el molusco «siente» el agua sea en efecto menos sensible.

© 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.

4 de 22

I Criballes | Plasticidad sináptica

2. Que la comunicación sináptica entre la neurona que siente el

la neurona motora y la interneurona. Los potenciales producidos

agua y la que efectúa la respuesta de retracción se haya modi-

por esta vía en la neurona motora, harán en consecuencia que se

ficado de manera que se reduzca la respuesta.

genere una descarga que recorrerá el axón que inerva la fibra

3. Que el músculo encargado de la retracción se vuelva menos sensible a la estimulación proveniente de la neurona que le

muscular y se convertirá en la señal que retraerá el sifón del animal.

envía la orden para contraerse (v. Fig.10-2).

A medida que la respuesta refleja disminuye en Aplysia después de estimular el sifón, la generación de potenciales postsinápticos excitatorios también disminuye.

Los trabajos experimentales de Eric Kandel y otros investigadores han demostrado que el punto medular para responder a esta cuestión está en la segunda posibilidad, es decir, en las sinapsis que comunican a la neurona sensitiva que inerva la piel del sifón con la neurona motora que hace que el músculo se contrai-

Kandel y su equipo demostraron que la habituación de Aplysia

ga. En cierta forma, una confirmación en un sistema mucho más simple de la propuesta inicial de Spencer y Thompson en el refle-

tiene como base fisiológica la disminución en la actividad sináptica que se establece entre la neurona sensitiva y la neurona moto-

jo del gato.

ra, y que ese circuito involucra eventualmente a una neurona adi-

Y bien, ¿cómo funciona esta sinapsis y por qué es esencial en el

cional del tipo interneurona (la Fig.10-2 ilustra el circuito neural

proceso de aprendizaje? Se ha visto ya en el capítulo 'Comunicación neuronal', y repasado en este mismo capítulo, el modo ge-

que controla el reflejo de retracción branquial). Resulta claro entonces que la sinapsis, ese sitio especial en el que ocurren la ma-

neral en el que funcionan las sinapsis. Si se considera entonces

yor parte de los procesos moleculares que comunican una célula

...