La plasticidad dependiente de la actividad es una forma de neuroplasticidad funcional y estructural que surge del uso de funciones cognitivas y la experiencia personal; [1] por tanto, es la base biológica para el aprendizaje y la formación de nuevos recuerdos . [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 del cerebro o la neuroplasticidad inducida por fármacos. [1] ElLa capacidad del cerebro para remodelarse forma la base de la capacidad del cerebro para retener recuerdos, mejorar la función motora y mejorar la comprensión y el habla, entre otras cosas. Este rasgo de retener y formar recuerdos está asociado 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 se desencadenan por cascadas de señalización que son activadas por varias 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 basados en el uso y la actividad relativos. Por ejemplo, una persona diestra puede realizar mal cualquier movimiento con su mano izquierda, pero la práctica continua con la mano no dominante puede hacer que uno se vuelva ambidiestro . Otro ejemplo es si alguien nació con un trastorno neurológico como el autismo o tuvo un derrame cerebral que resultó en un trastorno, entonces es capaz de recuperar gran parte de su función perdida a través de la práctica, que a su vez "reconecta" el cerebro para mitigar la disfunción neurológica. . [5]
Historia
La idea de plasticidad neuronal fue propuesta por primera vez durante 1890 por William James en Principles of Psychology . Durante la primera mitad del siglo XX, la palabra "plasticidad" fue rechazada directa e indirectamente en toda la ciencia. A muchos científicos les resultó difícil recibir financiación porque casi todos apoyaron unánimemente el hecho de que el cerebro estaba completamente desarrollado en la edad adulta y regiones específicas no podían cambiar funciones después del período crítico . Se creía que cada región del cerebro tenía una función determinada y específica. A pesar de esto, varios pioneros impulsaron la idea de plasticidad a través de diversos experimentos e investigaciones. Hay otros que ayudaron al progreso actual de la plasticidad dependiente de la actividad, pero los siguientes contribuyeron con resultados e ideas muy efectivos desde el principio.
Pioneros de la plasticidad dependiente de la actividad
La historia de la plasticidad dependiente de la actividad comienza con Paul Bach y Rita . Con la ideología convencional de que el desarrollo del cerebro finaliza en la edad adulta, Bach y Rita diseñó varios experimentos a finales de los sesenta y setenta que demostraron que el cerebro es capaz de cambiar. Estos incluyeron un método de sustitución visual fundamental para personas ciegas proporcionado por la proyección de imágenes táctiles en 1969. [6] La base detrás de este experimento fue tomar un sentido y usarlo para detectar otro: en este caso, use el sentido del tacto en la lengua para visualice el entorno. Este experimento se adelantó años a su tiempo y generó muchas preguntas y aplicaciones. Bach y Rita informó nuevamente de un experimento similar en 1986, en el que se administró estimulación vibrotáctil a las yemas de los dedos índices de sujetos ingenuos con los ojos vendados. [7] Aunque el experimento no arrojó grandes resultados, apoyó el estudio y propuso más investigaciones. En 1998, su diseño se desarrolló aún más y se probó nuevamente con una matriz de estímulos electrotáctiles de 49 puntos en la lengua. [8] Encontró que cinco sujetos adultos videntes reconocieron formas en todos los tamaños el 79,8% del tiempo, un hallazgo notable que ha llevado a la incorporación del estímulo electrotáctil de la lengua en diseños prácticos y cosméticamente aceptables para personas ciegas. En años posteriores, ha publicado una serie de otros artículos, incluido "Ver con el cerebro" en 2003, donde Bach y Rita aborda la plasticidad del cerebro en relación con el aprendizaje visual. [9] Aquí, las imágenes son mejoradas y percibidas por otros mecanismos plásticos dentro del ámbito de la información que pasa al cerebro.
Otro pionero dentro del campo de la plasticidad dependiente de la actividad es Michael Merzenich , actualmente profesor de neurociencia en la Universidad de California en San Francisco. Una de sus contribuciones incluye mapear y documentar la reorganización de las regiones corticales después de las alteraciones debidas a la plasticidad . [10] Mientras evaluaba los cambios registrados en la corteza somatosensorial primaria de monos adultos, observó varias características de los datos, incluida la forma en que los horarios alterados de actividad desde la reasignación de la piel hasta el modelado cortical y otros factores que afectan la remodelación representacional del cerebro. Desde entonces, sus hallazgos dentro de estos estudios se han aplicado al desarrollo de los jóvenes y los niños con problemas de 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 poder responder. Los resultados se tradujeron posteriormente en su 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 al centrarse en el desarrollo de la "conciencia fonológica". [11] Ha demostrado ser muy eficaz para ayudar a los niños con una variedad de complicaciones cognitivas. Además, ha dado lugar a estudios en profundidad de complicaciones específicas como el autismo y la discapacidad intelectual y las causas de las mismas. [12] Junto con un equipo de científicos, Merzenich ayudó a proporcionar evidencia de que el autismo investiga la percepción monocanal donde una representación impulsada por estímulos más fuerte domina el comportamiento y los estímulos más débiles son prácticamente ignorados en comparación.
Estructura de las neuronas
Las neuronas son la unidad funcional básica del cerebro y procesan y transmiten información a través de señales. Se pueden identificar muchos tipos diferentes de neuronas en función de su función, como las neuronas sensoriales o las neuronas motoras . Cada uno responde a estímulos específicos y envía señales químicas respectivas y apropiadas a otras neuronas. La estructura básica de una neurona se muestra aquí a la derecha y consiste en un núcleo que contiene información genética; el cuerpo celular, o el soma , que está equipado con ramas dendríticas que reciben principalmente las entradas de otras neuronas; un axón largo y delgado que lleva terminales de axón que llevan la información de salida a otras neuronas. [13] Las dendritas y los axones están interconectados 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 conduce fundamentalmente a la característica de plasticidad .
Estructuras y vías moleculares implicadas
Se ha observado una plasticidad dependiente de la actividad de una forma u otra en la mayoría de las áreas del cerebro. En particular, se cree que la reorganización de los mapas sensoriales y motores implica una variedad de vías y estructuras celulares relacionadas con la actividad relativa.
Se han implicado muchas moléculas 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 debido 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 presinápticos y postsinápticos conduce a cambios más permanentes y, por lo tanto, resulta en plasticidad. El postulado de Hebb aborda este hecho al afirmar que las terminales sinápticas se fortalecen por la actividad correlacionada y, por lo tanto, brotarán nuevas ramas. Sin embargo, los terminales que experimentan una actividad debilitada y mínima eventualmente perderán su conexión sináptica y se deteriorarán. [14]
Un objetivo principal de toda la señalización molecular son las conexiones inhibidoras realizadas por las neuronas GABAérgicas . Estos receptores existen en sitios postsinápticos y, junto con la regulación de las sinapsis inhibidoras locales, se ha encontrado que son muy sensibles a las alteraciones del período crítico. Cualquier alteración de los receptores conduce a cambios en las concentraciones de calcio en las células afectadas y, en última instancia, puede influir en la ramificación dendrítica y axonal. [15] Este cambio de concentración es el resultado de la activación de muchas quinasas , cuyo subproducto puede mejorar la expresión de genes específicos.
Además, se ha identificado que la vía postsináptica wg, que es responsable de la codificación y producción de muchas moléculas para eventos de desarrollo, puede estimularse bidireccionalmente y es responsable de la alteración aguas abajo de la neurona postsináptica . Sin embargo, cuando se activa la vía presináptica wg, altera la estructura citoesquelética a través de la transcripción y traducción. [dieciséis]
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 implicadas en las CAM, se incorporan explícitamente en la maduración de la sinapsis y la formación de la memoria. Desempeñan un papel crucial en la regulación por retroalimentación de la fuerza sináptica excitadora, o potenciación a largo plazo (LTP), y ayudan a controlar la fuerza sináptica regulando los receptores AMPA , que dan como resultado corrientes sinápticas cortas y rápidas. [17] Pero se ha descubierto que es el receptor metabotrópico de glutamato 1 (mGlu1) el que se requiere para la plasticidad sináptica dependiente de la actividad en el aprendizaje asociativo. [18]
La plasticidad dependiente de la actividad se observa en la corteza visual primaria , una región del cerebro que procesa los estímulos visuales y es capaz de modificar los estímulos experimentados en función de los estados de percepción activa y excitación. Se sabe que las tendencias de comunicación sináptica entre estados excitados y deprimidos en relación con el ciclo de luz / oscuridad. Mediante la experimentación con ratas, se descubrió que la experiencia visual durante los estados de alerta conduce a una mayor capacidad de respuesta y cambios plásticos en la corteza visual. [19] Más aún, se encontró que los estados depresivos alteran negativamente el estímulo por lo que la reacción no fue tan enérgica. Este experimento demuestra que incluso la corteza visual es capaz de lograr una plasticidad dependiente de la actividad, ya que depende tanto de la exploración visual como del estado de excitación del animal.
Papel en el aprendizaje
La plasticidad dependiente de la actividad juega 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 de acuerdo con 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 de la fuerza sináptica lo que permite un aprendizaje más sólido de la información. Se cree que es la calidad de crecimiento y adaptación de las espinas dendríticas la que proporciona la base para la plasticidad sináptica relacionada con el aprendizaje y la memoria . [20] 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, también se ha identificado un gen específico que tiene un papel importante en el crecimiento de la sinapsis y la plasticidad dependiente de la actividad: el gen del microARN 132 (miR132). [21] Este gen está regulado por la vía de la proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc (CREB) y es capaz de mejorar el crecimiento dendrítico cuando se activa. El gen miR132 es otro componente responsable de la plasticidad del cerebro y ayuda a establecer conexiones más fuertes entre 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 [22] y el ARNm transcrito se localiza en sitios sinápticos activados [23] [24] donde la proteína traducida desempeña un papel en el tráfico del receptor AMPA. [25] Arc es miembro de una clase de proteínas llamadas genes tempranos inmediatos (IEG) que se transcriben rápidamente en respuesta a la entrada sináptica. De los 30-40 genes estimados que comprenden la respuesta IEG neuronal total, 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), [26] un correlato celular del aprendizaje y la memoria.
Mecanismos involucrados
Hay una variedad de mecanismos involucrados en la plasticidad dependiente de la actividad. Estos incluyen LTP, depresión a largo plazo (LTD), eliminación sináptica, neurogénesis y sinaptogénesis . [3] Los mecanismos de plasticidad dependiente de la actividad dan como resultado la despolarización de la membrana y la entrada de calcio , que a su vez desencadenan cambios celulares que afectan las conexiones sinápticas y la transcripción de genes . En esencia, la actividad neuronal regula la expresión génica relacionada con la ramificación dendrítica y el desarrollo de sinapsis. Las mutaciones en genes relacionados con la transcripción dependientes de la actividad pueden conducir a trastornos neurológicos. Cada uno de los hallazgos de los estudios tiene como objetivo ayudar al desarrollo adecuado del cerebro al tiempo que mejora una amplia variedad de tareas como el habla, el movimiento, la comprensión y la memoria. Más aún, 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 las sinapsis. Los cambios en las conexiones sinápticas y la fuerza son el resultado de LTP y LTD y están fuertemente regulados por la liberación del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), una proteína de desarrollo de sinapsis dependiente de la actividad. [27] [28] Además del BDNF, los receptores Nogo-66, y más específicamente el NgR1, también participan en el desarrollo y la regulación de la estructura neuronal. [29] El daño a este receptor conduce a una LTP [ vaga ] inútil y una atenuación de LTD. Ambas situaciones implican que NgR1 es un regulador de la plasticidad sináptica. A partir de experimentos, se ha encontrado que la estimulación inducida por LTD conduce a una reducción en la fuerza sináptica y pérdida de conexiones pero, cuando se combina simultáneamente con estimulación de baja frecuencia, ayuda a reestructurar los contactos sinápticos. Las implicaciones de este hallazgo incluyen ayudar a las personas con daños en los receptores y proporcionar información sobre el mecanismo detrás de la LTP.
Otro modelo de investigación de plasticidad dependiente de la actividad incluye la vía corticostriatal excitadora que está involucrada en el procesamiento de información relacionada 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 glutamatérgicas corticostriatales y dopaminérgicas nigroestriatales. Estas son las mismas vías afectadas en la enfermedad de Parkinson , y la degeneración de las sinapsis dentro de este trastorno puede ser responsable de la pérdida de algunas capacidades cognitivas. [30]
Relación con el comportamiento
Discapacidad intelectual
Dado que la plasticidad es una propiedad tan fundamental de la función cerebral debido a su participación en el desarrollo del cerebro, la reparación del cerebro y los procesos cognitivos, su regulación adecuada es necesaria para la fisiología normal. Se ha encontrado que las mutaciones dentro de cualquiera de los genes asociados con la plasticidad dependiente de la actividad se correlacionan positivamente con varios grados de discapacidad intelectual . [31] Los dos tipos de discapacidad intelectual [ aclaración necesaria ] relacionados con la plasticidad dependen del desarrollo neuronal disfuncional o alteraciones en los mecanismos moleculares involucrados en la organización sináptica. Las complicaciones dentro de cualquiera de estos tipos pueden reducir en gran medida la capacidad y la comprensión del cerebro .
Rehabilitación de accidentes cerebrovasculares
Por otro lado, las personas con tales condiciones tienen la capacidad de recuperar algún grado de sus habilidades perdidas a través de desafíos y uso continuos. Un ejemplo de esto se puede ver en El cerebro que se cambia a sí mismo de Norman Doidge . El padre de Bach y Rita sufrió un derrame cerebral incapacitante que dejó al hombre de 65 años medio paralizado e incapaz de hablar. Después de un año de gatear y tácticas de terapia inusuales, que incluyeron juegos básicos para niños y lavar ollas, la rehabilitación de su padre estaba casi completa y volvió a su papel de profesor en el City College de Nueva York. [32] Esta notable recuperación de un accidente cerebrovascular demuestra que incluso alguien con un 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 muy involucrado en la plasticidad dependiente de la actividad y el síndrome de X frágil (FraX) es el resultado de la pérdida de función de este gen. FMR1 produce FMRP, que media el control dependiente de la actividad de la estructura sináptica. La pérdida o ausencia de este gen conduce casi con certeza tanto al autismo como a la discapacidad intelectual . El Dr. Gatto ha descubierto que la introducción temprana del producto FMRP da como resultado una reestructuración casi completa de las sinapsis. Sin embargo, este método no es tan eficaz cuando se introduce en un sujeto maduro y solo se adapta parcialmente a las pérdidas de RMF1. [33] El descubrimiento de este gen proporciona una posible ubicación para la intervención de los niños pequeños con estas anomalías, ya que este gen y su producto actúan temprano para construir una arquitectura sináptica.
Estrés
Un problema común entre la mayoría de las personas en los Estados Unidos son los altos niveles de estrés y también 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 con una mayor retención de memoria, comprensión y adaptación involucran LTP y 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 los posibles métodos de intervención. El Dr. Li y varios otros han identificado el canal TRPV1 como un objetivo para facilitar la LTP y suprimir la LTD, lo que ayuda a proteger la característica de plasticidad sináptica y retención de la memoria de los efectos del estrés. [34]
Estudios futuros
Los futuros estudios y preguntas sobre la plasticidad dependiente de la actividad son casi infinitos porque las implicaciones de los hallazgos permitirán muchos tratamientos. A pesar de los muchos avances en el 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 a curar. Estos incluyen autismo, diferentes grados de discapacidad intelectual, esquizofrenia , enfermedad de Parkinson , estrés y accidente cerebrovascular . Además de una mejor comprensión de los diversos trastornos, los neurólogos deben analizar y analizarán la plasticidad en la que incurre el sistema inmunológico , ya que proporcionará una gran comprensión de las enfermedades y también sentará las bases de nuevas terapias inmunocentradas. [35] Una mejor perspectiva de los mecanismos celulares que regulan la morfología neuronal es el siguiente paso para descubrir nuevos tratamientos para las condiciones patológicas del aprendizaje y la memoria.
Ver también
- Sistema nervioso central
- Sinapsis química
- Espina dendrítica
- Teoría hebbiana
- Neuroplasticidad
- Sustitución sensorial
- Plasticidad dependiente de la sincronización de los picos
Referencias
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Se ha avanzado mucho en la comprensión de cómo la experiencia conductual y la actividad neuronal pueden modificar la estructura y función de los circuitos neuronales durante el desarrollo y en el cerebro adulto. Los estudios de los mecanismos fisiológicos y moleculares que subyacen a la plasticidad dependiente de la actividad en modelos animales han sugerido posibles enfoques terapéuticos para una amplia gama de trastornos cerebrales en humanos. Los estímulos fisiológicos y eléctricos, así como los agentes moleculares modificadores de la plasticidad, pueden facilitar la recuperación funcional mejorando selectivamente los circuitos neuronales existentes o promoviendo la formación de nuevos circuitos funcionales. ... La plasticidad neuronal se puede definir ampliamente como la capacidad del sistema nervioso para adoptar un nuevo estado funcional o estructural en respuesta a factores extrínsecos e intrínsecos. Esta plasticidad es esencial para el desarrollo del sistema nervioso y el funcionamiento normal del cerebro adulto. La plasticidad neuronal puede manifestarse en la macroescala como cambios en el patrón espacio-temporal de activación de diferentes regiones del cerebro, en la mesoescala como alteraciones de conexiones locales y de largo alcance entre distintos tipos neuronales, y en la microescala como modificaciones de neuronas y sinapsis a nivel celular. y niveles subcelulares. La plasticidad neuronal desadaptativa puede explicar muchos trastornos cerebrales del desarrollo, adquiridos y neurodegenerativos.
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Los hallazgos recientes con animales y humanos sugieren que la disminución de los movimientos microscópicos del agua en el hipocampo refleja la neuroplasticidad a corto plazo resultante del aprendizaje. Aquí examinamos si tales cambios estructurales neuroplásticos alteran simultáneamente la conectividad funcional entre el hipocampo y otras regiones involucradas en el aprendizaje. ... Estos cambios concurrentes caracterizan la multidimensionalidad de la neuroplasticidad, ya que permite el aprendizaje espacial humano.
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Una característica definitoria del cerebro es su notable capacidad para someterse a una remodelación funcional y morfológica dependiente de la actividad a través de mecanismos de plasticidad que forman la base de nuestra capacidad para codificar y retener recuerdos. Hoy en día, se acepta generalmente que el sustrato neurobiológico de los recuerdos reside en modificaciones impulsadas por la actividad de la fuerza sináptica y la remodelación estructural de las redes neuronales activadas durante el aprendizaje.
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La experiencia sensorial y la actividad sináptica resultante dentro del cerebro son fundamentales para el desarrollo adecuado de los circuitos neuronales. La actividad sináptica impulsada por la experiencia provoca la despolarización de la membrana y la entrada de calcio en neuronas seleccionadas dentro de un circuito neural, que a su vez desencadenan una amplia variedad de cambios celulares que alteran la conectividad sináptica dentro del circuito neural. Una forma en que la entrada de calcio conduce a la remodelación de las sinapsis producidas por las neuronas es a través de la activación de la transcripción de nuevos genes. Estudios recientes han identificado muchas de las vías de señalización que vinculan la actividad neuronal a la transcripción, revelando tanto los factores de transcripción que median en este proceso como los genes regulados por la actividad neuronal. Estos estudios indican que la actividad neuronal regula un programa complejo de expresión génica involucrado en muchos aspectos del desarrollo neuronal, incluida la ramificación dendrítica, la maduración de la sinapsis y la eliminación de la sinapsis.
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