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Plasticidad dependiente de la actividad

La plasticidad dependiente de la actividad es una forma de neuroplasticidad funcional y estructural que surge del uso de funciones cognitivas y experiencia personal. [ 1 ] Por l...

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La plasticidad dependiente de la actividad es una forma de neuroplasticidad funcional y estructural que surge del uso de funciones cognitivas y experiencia personal. [ 1 ] Por lo tanto, es la base biológica del aprendizaje y la formación de nuevas memorias . [ 1 ] [ 2 ] La plasticidad dependiente de la actividad es una forma de neuroplasticidad que surge de la actividad intrínseca o endógena , a diferencia de las formas de neuroplasticidad que surgen de factores extrínsecos o exógenos , como la estimulación eléctrica cerebral o la neuroplasticidad inducida por fármacos. [ 1 ] La capacidad del cerebro para remodelarse constituye la base de su capacidad para retener recuerdos, mejorar la función motora y potenciar la comprensión y el habla, entre otras cosas. Es esta capacidad de retener y formar recuerdos la que se asocia con la plasticidad neuronal y, por lo tanto, con muchas de las funciones que los individuos realizan a diario. [ 3 ] Esta plasticidad se produce como resultado de cambios en la expresión génica que son desencadenados por cascadas de señalización que son activadas por diversas moléculas de señalización (por ejemplo, calcio , dopamina y glutamato , entre muchas otras) durante el aumento de la actividad neuronal. [ 4 ]

La capacidad del cerebro para adaptarse a las funciones activas permite a los humanos especializarse en procesos específicos según su uso y actividad. Por ejemplo, una persona diestra puede realizar cualquier movimiento con dificultad con la mano izquierda, pero la práctica continua con la mano no dominante puede hacer que se vuelva ambidiestra .

Historia

La idea de la plasticidad neuronal fue propuesta por primera vez en 1890 por William James en sus Principios de Psicología . Durante la primera mitad del siglo XX, el término «plasticidad» fue rechazado, tanto directa como indirectamente, en el ámbito científico. Muchos científicos tuvieron dificultades para obtener financiación, ya que prácticamente todos defendían unánimemente que el cerebro se desarrollaba por completo en la edad adulta y que ciertas regiones eran incapaces de modificar sus funciones tras el periodo crítico . Se creía que cada región cerebral tenía una función fija y específica. A pesar de ello, varios pioneros impulsaron la idea de la plasticidad mediante diversos experimentos e investigaciones. Otros contribuyeron al progreso actual de la plasticidad dependiente de la actividad, pero los siguientes aportaron resultados e ideas muy eficaces desde sus inicios.

Pioneros de la plasticidad dependiente de la actividad

La historia de la plasticidad dependiente de la actividad comenzó con Paul Bach y Rita . Con la ideología convencional, que sostiene que el desarrollo cerebral finaliza en la edad adulta, Bach y Rita diseñó varios experimentos a finales de los años 60 y 70 que demostraron que el cerebro es capaz de cambiar. Entre ellos se incluyó un método fundamental de sustitución visual para personas ciegas mediante la proyección de imágenes táctiles en 1969. [ 5 ] La base de este experimento era utilizar un sentido para detectar otro: en este caso, el sentido del tacto en la lengua para visualizar el entorno. Este experimento se adelantó años a su tiempo y generó numerosas preguntas y aplicaciones. Bach y Rita informó de un experimento similar en 1986, en el que se aplicó estimulación vibrotáctil en las yemas de los dedos índices de sujetos ingenuos con los ojos vendados. [ 6 ] Aunque el experimento no arrojó grandes resultados, respaldó el estudio y propuso investigaciones adicionales. En 1998, su diseño se desarrolló aún más y se probó de nuevo con una matriz de estímulos electrotáctiles de 49 puntos en la lengua. [ 7 ] Descubrió que cinco sujetos adultos videntes reconocían formas de todos los tamaños el 79,8% de las veces, un hallazgo notable que ha llevado a la incorporación del estímulo electrotáctil de la lengua en diseños estéticamente aceptables y prácticos para personas ciegas. En años posteriores, ha publicado varios otros artículos, incluido "Ver con el cerebro" en 2003, donde Bach y Rita aborda la plasticidad del cerebro en relación con el aprendizaje visual . [ 8 ] Aquí, las imágenes se mejoran y se perciben mediante otros mecanismos plásticos dentro del ámbito de la transmisión de información al cerebro.

Otro pionero en el campo de la plasticidad dependiente de la actividad es Michael Merzenich , actualmente profesor de neurociencia en la Universidad de California, San Francisco. Una de sus contribuciones incluye el mapeo y la documentación de la reorganización de las regiones corticales después de alteraciones debidas a la plasticidad . [ 9 ] Al evaluar los cambios registrados en la corteza somatosensorial primaria de monos adultos, examinó varias características de los datos, incluyendo cómo los programas de actividad alterados de la piel se remapean al modelado cortical y otros factores que afectan la remodelación representacional del cerebro. Sus hallazgos en estos estudios se han aplicado desde entonces al desarrollo juvenil y a niños con trastornos del aprendizaje basados ​​en el lenguaje. A través de muchos estudios que involucran ejercicios de entrenamiento adaptativo en computadora, ha diseñado con éxito métodos para mejorar sus habilidades de procesamiento temporal. Estas medidas adaptativas incluyen juegos de procesamiento de palabras y pruebas de comprensión que involucran múltiples regiones del cerebro para responder. Los resultados se tradujeron posteriormente en el desarrollo del programa Fast ForWord en 1996, que tiene como objetivo mejorar las habilidades cognitivas de los niños entre el jardín de infancia y el duodécimo grado centrándose en el desarrollo de la " conciencia fonológica ". [ 10 ] Ha demostrado ser muy eficaz para ayudar a niños con diversas dificultades cognitivas. Además, ha dado lugar a estudios en profundidad de dificultades específicas como el autismo y la discapacidad intelectual y sus causas. [ 11 ] Junto con un equipo de científicos, Merzenich ayudó a aportar pruebas de que el autismo explora la percepción monocanal, donde una representación impulsada por estímulos más fuertes domina el comportamiento y los estímulos más débiles se ignoran prácticamente en comparación.

Estructura de las neuronas

Diagrama que muestra los componentes de una motoneurona mielinizada de vertebrado.

Las neuronas son la unidad funcional básica del cerebro y procesan y transmiten información mediante señales. Se pueden identificar muchos tipos diferentes de neuronas según su función, como las neuronas sensoriales o las neuronas motoras . Cada una responde a estímulos específicos y envía señales químicas apropiadas a otras neuronas. La estructura básica de una neurona se muestra aquí a la derecha y consta de un núcleo que contiene información genética; el cuerpo celular, o soma , que está equipado con ramificaciones dendríticas que reciben principalmente las entradas de otras neuronas; y un axón largo y delgado que lleva terminales axónicas que transportan la información de salida a otras neuronas. [ 12 ] Las dendritas y los axones están conectados a través de una pequeña conexión llamada sinapsis . Este componente de la neurona contiene una variedad de mensajeros químicos y proteínas que permiten la transmisión de información. Es la variedad de proteínas y el efecto de la señal lo que fundamentalmente conduce a la plasticidad neuronal.

Estructuras y vías moleculares implicadas

Se ha observado plasticidad dependiente de la actividad, de una u otra índole, en la mayoría de las áreas del cerebro. En particular, se cree que la reorganización de los mapas sensoriales y motores implica diversas vías y estructuras celulares relacionadas con la actividad relativa.

Numerosas moléculas se han visto implicadas en la plasticidad sináptica. En particular, los receptores AMPA y NMDA son moléculas clave en los mecanismos de potenciación a corto y largo plazo entre neuronas. Los receptores NMDA pueden detectar la actividad local debida a la activación y, por lo tanto, modificar la señalización en la célula postsináptica. El aumento de la actividad y la coordinación entre los receptores pre y postsinápticos conduce a cambios más permanentes y, por consiguiente, a la plasticidad. El postulado de Hebb aborda este hecho al afirmar que las terminales sinápticas se fortalecen mediante la actividad correlacionada y, por lo tanto, generarán nuevas ramificaciones. Sin embargo, las terminales que experimentan una actividad débil y mínima acabarán perdiendo su conexión sináptica y deteriorándose. [ 13 ]

Un objetivo principal de toda la señalización molecular son las conexiones inhibitorias que forman las neuronas GABAérgicas . Estos receptores se encuentran en los sitios postsinápticos y, junto con la regulación de las sinapsis inhibitorias locales, se ha observado que son muy sensibles a las alteraciones del período crítico. Cualquier alteración en los receptores provoca cambios en las concentraciones de calcio en las células afectadas y, en última instancia, puede influir en la ramificación dendrítica y axonal. [ 14 ] Este cambio de concentración es el resultado de la activación de numerosas quinasas , cuyo subproducto puede potenciar la expresión de genes específicos.

Ilustración de los elementos que intervienen en la transmisión sináptica. Se genera un potencial de acción que viaja a lo largo del axón hasta la terminal axónica, donde se libera y provoca la liberación de un neurotransmisor que actúa sobre el extremo postsináptico.

Además, se ha identificado que la vía postsináptica Wg , responsable de la codificación y producción de numerosas moléculas para eventos del desarrollo, puede ser estimulada bidireccionalmente y es responsable de la alteración posterior de la neurona postsináptica . Sin embargo, cuando se activa la vía presináptica Wg, esta altera la estructura del citoesqueleto mediante transcripción y traducción. [ 15 ]

Las moléculas de adhesión celular (CAM) también son importantes en la plasticidad, ya que ayudan a coordinar la señalización a través de la sinapsis. Más específicamente, las integrinas , que son receptores de proteínas de la matriz extracelular e involucran a las CAM, se incorporan explícitamente en la maduración sináptica y la formación de la memoria. Juegan un papel crucial en la regulación por retroalimentación de la fuerza sináptica excitatoria, o potenciación a largo plazo (LTP), y ayudan a controlar la fuerza sináptica regulando los receptores AMPA , lo que da como resultado corrientes sinápticas rápidas y cortas. [ 16 ] Pero es el receptor metabotrópico de glutamato 1 (mGlu1) el que se ha descubierto que es necesario para la plasticidad sináptica dependiente de la actividad en el aprendizaje asociativo. [ 17 ]

La plasticidad dependiente de la actividad se observa en la corteza visual primaria , una región del cerebro que procesa estímulos visuales y es capaz de modificar los estímulos experimentados en función de la percepción activa y los estados de activación. Se sabe que la comunicación sináptica tiende entre estados excitados y deprimidos en relación con el ciclo luz/oscuridad. Mediante experimentos con ratas, se descubrió que la experiencia visual durante estados de vigilia conduce a una mayor capacidad de respuesta y cambios plásticos en la corteza visual. [ 18 ] Además, se encontró que los estados deprimidos alteran negativamente el estímulo, por lo que la reacción no es tan enérgica. Este experimento demuestra que incluso la corteza visual es capaz de lograr plasticidad dependiente de la actividad, ya que depende tanto de la exploración visual como del estado de activación del animal.

Papel en el aprendizaje

La plasticidad dependiente de la actividad desempeña un papel muy importante en el aprendizaje y en la capacidad de comprender cosas nuevas. Es responsable de ayudar a adaptar el cerebro de un individuo según la cantidad relativa de uso y funcionamiento. En esencia, es la capacidad del cerebro para retener y desarrollar recuerdos basados ​​en cambios impulsados ​​por la actividad en la fuerza sináptica que permiten un aprendizaje más sólido de la información. Se cree que es la cualidad de crecimiento y adaptación de las espinas dendríticas la que proporciona la base para la plasticidad sináptica relacionada con el aprendizaje y la memoria . [ 19 ] Las espinas dendríticas logran esto transformando la entrada sináptica en salida neuronal y también ayudando a definir la relación entre las sinapsis.

En estudios recientes, se ha identificado un gen específico con un papel fundamental en el crecimiento sináptico y la plasticidad dependiente de la actividad: el gen del microARN 132 (miR132). [ 20 ] Este gen está regulado por la vía de la proteína CREB (proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc) y, al activarse, puede potenciar el crecimiento dendrítico. El gen miR132 es otro componente responsable de la plasticidad cerebral y contribuye a establecer conexiones más fuertes entre las neuronas.

Otro gen relacionado con la plasticidad involucrado en el aprendizaje y la memoria es Arc/Arg3.1 . El gen Arc está regulado por la actividad [ 21 ] y el ARNm transcrito se localiza en sitios sinápticos activados [ 22 ] [ 23 ] donde la proteína traducida juega un papel en el tráfico del receptor AMPA . [ 24 ] Arc es un miembro de una clase de proteínas llamadas genes de respuesta temprana inmediata (IEG) que se transcriben rápidamente en respuesta a la entrada sináptica. De los 30-40 genes estimados que componen la respuesta neuronal total de IEG, todos son genes prototípicos dependientes de la actividad y varios han sido implicados en el aprendizaje y la memoria. Por ejemplo, zif268 , Arc , beta-activina, tPA , Homer y COX-2 han sido implicados en la potenciación a largo plazo (LTP), [ 25 ] un correlato celular del aprendizaje y la memoria.

Según la teoría de la neuroestimulación natural , las interacciones físicas con la madre durante el embarazo promueven la plasticidad dependiente de la actividad en el sistema nervioso fetal, con el corazón materno desempeñando un papel central. [ 26 ] [ 27 ] Esta teoría explica cómo las oscilaciones electromagnéticas y acústicas del corazón materno dan forma a un conjunto de actividad neuronal en ambos sistemas nerviosos. Durante el acto intencional de la madre con su entorno, específicamente el entorno acústico compartido con el feto en la banda de sonido de baja frecuencia, el arrastre de ondas cerebrales proporciona pistas al sistema nervioso del feto, vinculando la actividad neuronal con estímulos relevantes. [ 27 ] Esta sincronía neuronal permite interacciones cooperativas entre los organismos maduros (madre) e inmaduros (feto) y el entorno, asegurando que el organismo inmaduro obtenga una valencia positiva o negativa de los estímulos. Se cree que este mecanismo evolutivo, del crecimiento del sistema nervioso a través de la plasticidad dependiente de la actividad, proporciona desarrollo cognitivo al feto sin experiencia previa, permitiéndole comenzar a categorizar el mundo por la valencia positiva/negativa de los estímulos. [ 28 ]

Mecanismos involucrados

Existen diversos mecanismos implicados en la plasticidad dependiente de la actividad. Estos incluyen la potenciación a largo plazo (LTP), la depresión a largo plazo (LTD), la eliminación sináptica, la neurogénesis y la sinaptogénesis . [ 3 ] Los mecanismos de la plasticidad dependiente de la actividad dan lugar a la despolarización de la membrana y la entrada de calcio , lo que a su vez desencadena cambios celulares que afectan las conexiones sinápticas y la transcripción génica . En esencia, la actividad neuronal regula la expresión génica relacionada con la ramificación dendrítica y el desarrollo de las sinapsis. Las mutaciones en los genes relacionados con la transcripción dependiente de la actividad pueden provocar trastornos neurológicos. Los hallazgos de cada estudio tienen como objetivo contribuir al desarrollo adecuado del cerebro, mejorando una amplia variedad de tareas como el habla, el movimiento, la comprensión y la memoria. Además, los hallazgos explican mejor el desarrollo inducido por la plasticidad.

Se sabe que durante la vida posnatal un paso crítico para el desarrollo del sistema nervioso es la eliminación de sinapsis. Los cambios en las conexiones y la fuerza sináptica son resultado de la LTP y la LTD y están fuertemente regulados por la liberación del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), una proteína de desarrollo sináptico dependiente de la actividad. [ 29 ] [ 30 ] Además del BDNF , los receptores Nogo-66, y más específicamente NgR1, también están involucrados en el desarrollo y la regulación de la estructura neuronal. [ 31 ] El daño a este receptor conduce a una LTP inútil y a la atenuación de la LTD. Ambas situaciones implican que NgR1 es un regulador de la plasticidad sináptica. A partir de experimentos, se ha encontrado que la estimulación que induce LTD conduce a una reducción en la fuerza sináptica y a la pérdida de conexiones, pero, cuando se combina simultáneamente con estimulación de baja frecuencia, ayuda a la reestructuración de los contactos sinápticos. Las implicaciones de este hallazgo incluyen ayudar a las personas con daño en los receptores y proporcionar información sobre el mecanismo detrás de la LTP.

Otro modelo de investigación sobre la plasticidad dependiente de la actividad incluye la vía corticoestriatal excitatoria, que participa en el procesamiento de información relacionado con conductas motoras adaptativas y muestra cambios sinápticos duraderos. El cambio en la fuerza sináptica es responsable del aprendizaje motor y depende de la activación simultánea de las vías corticoestriatales glutamatérgicas y nigroestriatales dopaminérgicas. Estas son las mismas vías afectadas en la enfermedad de Parkinson , y la degeneración de las sinapsis en este trastorno podría ser responsable de la pérdida de algunas capacidades cognitivas. [ 32 ]

Relación con el comportamiento

Discapacidad intelectual

Dado que la plasticidad es una propiedad fundamental de la función cerebral debido a su participación en el desarrollo cerebral, la reparación cerebral y los procesos cognitivos, su regulación adecuada es necesaria para la fisiología normal. Se ha encontrado que las mutaciones en cualquiera de los genes asociados con la plasticidad dependiente de la actividad se correlacionan positivamente con varios grados de discapacidad intelectual . [ 33 ] Los dos tipos de discapacidad intelectual relacionados con la plasticidad dependen del desarrollo neuronal disfuncional o de alteraciones en los mecanismos moleculares involucrados en la organización sináptica. Las complicaciones en cualquiera de estos tipos pueden reducir en gran medida la capacidad cerebral y la comprensión .

rehabilitación tras un accidente cerebrovascular

Por otro lado, las personas con estas afecciones tienen la capacidad de recuperar cierto grado de sus habilidades perdidas mediante desafíos y práctica constantes. Un ejemplo de esto se puede ver en El cerebro que se transforma a sí mismo de Norman Doidge . El padre de Bach y Rita sufrió un derrame cerebral incapacitante que dejó al hombre de 65 años semiparalizado e incapaz de hablar. Después de un año de gateo y tácticas de terapia inusuales, que incluían jugar juegos infantiles básicos y lavar ollas, la rehabilitación de su padre estaba casi completa y regresó a su puesto como profesor en el City College de Nueva York. [ 34 ] Esta notable recuperación de un derrame cerebral demuestra que incluso alguien con comportamiento anormal y complicaciones médicas graves puede recuperar casi todas las funciones normales con mucha práctica y perseverancia.

Estudios recientes han informado que un gen específico, FMR1 , está altamente involucrado en la plasticidad dependiente de la actividad y el síndrome del cromosoma X frágil (FraX) es el resultado de la pérdida de función de este gen. El gen FMR1 produce la proteína FMRP, que media el control dependiente de la actividad de la estructura sináptica. La pérdida o ausencia de este gen casi con certeza conduce tanto al autismo como a la discapacidad intelectual . El Dr. Gatto ha descubierto que la introducción temprana del producto FMRP resulta en una reestructuración casi completa de las sinapsis. Sin embargo, este método no es tan efectivo cuando se introduce en un sujeto adulto y solo compensa parcialmente las pérdidas de FMR1. [ 35 ] El descubrimiento de este gen proporciona un posible lugar para la intervención en niños pequeños con estas anomalías, ya que este gen y su producto actúan tempranamente para construir la arquitectura sináptica.

Estrés

Un problema común entre la mayoría de las personas en Estados Unidos son los altos niveles de estrés y los trastornos asociados con el estrés continuo. Muchas regiones del cerebro son muy sensibles al estrés y pueden dañarse con una exposición prolongada. Más importante aún, se cree que muchos de los mecanismos involucrados en la mejora de la retención, la comprensión y la adaptación de la memoria involucran la LTP y la LTD, dos mecanismos de plasticidad dependientes de la actividad que el estrés puede suprimir directamente. Se han realizado varios experimentos para descubrir los mecanismos específicos de esta supresión y también posibles métodos de intervención. El Dr. Li y otros han identificado el canal TRPV1 como un objetivo para facilitar la LTP y suprimir la LTD, ayudando así a proteger la plasticidad sináptica y la retención de la memoria de los efectos del estrés. [ 36 ]

Estudios futuros

Los estudios y preguntas futuras sobre la plasticidad dependiente de la actividad son prácticamente infinitos, ya que las implicaciones de los hallazgos permitirán numerosos tratamientos. A pesar de los muchos avances en este campo, existe una amplia variedad de trastornos que una mayor comprensión de los mecanismos de plasticidad dependientes de la actividad ayudaría a tratar y quizás curar. Estos incluyen el autismo, diferentes grados de discapacidad intelectual, la esquizofrenia , la enfermedad de Parkinson , el estrés y el accidente cerebrovascular . Además de una mejor comprensión de los diversos trastornos, los neurólogos deberían y estudiarán la plasticidad inducida por el sistema inmunitario , ya que proporcionará una gran perspectiva sobre las enfermedades y también sentará las bases de nuevas terapias centradas en el sistema inmunitario. [ 37 ] Una mejor perspectiva de los mecanismos celulares que regulan la morfología neuronal es el siguiente paso para descubrir nuevos tratamientos para las afecciones patológicas del aprendizaje y la memoria.

Véase también

Referencias

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    • Figura 3: Redes de transducción de señales inducidas por calcio que median la expresión génica dependiente de la actividad neuronal.
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