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I UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO MAESTRÍA EN CIENCIAS (NEUROBIOLOGÍA) INSTITUTO DE NEUROBIOLOGÍA CITOARQUITECTURA DE LAS ESPINAS DENDRÍTICAS DE NEURONAS PIRAMIDALES DEL ÁREA CA1 DEL HIPOCAMPO EN LA CONSOLIDACIÓN DE LA MEMORIA DE UN ENTRENAMIENTO INCREMENTADO TESIS QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: MAESTRA EN CIENCIAS PRESENTA: BIOL. MARTHA GUADALUPE MARTÍNEZ DEGOLLADO TUTOR PRINCIPAL DR. ROBERTO AGUSTÍN PRADO ALCALÁ INSTITUTO DE NEUROBIOLOGÍA MIEMBROS DEL COMITÉ TUTOR DRA. SOFÍA Y. DÍAZ MIRANDA INSTITUTO DE NEUROBIOLOGÍA DR. IGNACIO GONZÁLEZ BURGOS CENTRO DE INVESTIGACIÓN BIOMÉDICA DE OCCIDENTE, IMSS CAMPUS JURIQUILLA, QUERÉTARO, QRO., MÉXICO, AGOSTO 2016 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. II Universidad Nacional Autónoma de México Instituto de Neurobiología Los miembros del Comité Tutor certificamos que la tesis elaborada por: Martha Guadalupe Martínez Degollado, cuyo título es: “Citoarquitectura de las espinas dendríticas de neuronas piramidales del área CA1 del hipocampo en la consolidación de la memoria de un entrenamiento incrementado” se presenta como uno de los requisitos para obtener el grado de Maestría en Ciencias (Neurobiología) y cumple con los criterios de originalidad y calidad requeridos por la División de Estudios de Posgrado de la Universidad Nacional Autónoma de México. Presidente Dr. Manuel Salas Alvarado Secretario (Tutor) Dr. Roberto Agustín Prado Alcalá Vocal Dra. Selva Rivas Arancibia Suplente Dra. Sofía Y. Díaz Miranda Suplente Dra. Claudia Pérez Cruz Aprobado por el Comité Académico Coordinador del Programa Dr. Alfredo Varela Echevarría III AGRADECIMIENTOS Al Dr. Roberto Prado, por brindarme la oportunidad de ser parte de su equipo de trabajo, por todo su apoyo y confianza depositada para la realización de esta tesis, por sus valiosas aportaciones y sus invaluables observaciones, muchas gracias. A la Dra. Sofía Díaz por contribuir en mi crecimiento profesional, por su invaluable guía y apoyo, gracias también por formar parte de mi comité tutor. A mi querido maestro, el Dr. Ignacio González Burgos, por ser el culpable de mostrarme el maravilloso mundo de la ciencia, gracias por compartir su conocimiento y ser parte de mi comité tutor. A la Dra. Gina Quirarte por abrirme las puertas del laboratorio, por sus observaciones, su apoyo y su paciencia para contribuir en mi formación académica. A la D. en C. Cristina Medina por su apoyo, sus valiosas observaciones y aportaciones, por facilitarme siempre los reactivos para la realización de la tesis, y sobre todo gracias por su amistad. A la M. en C. Azucena Ruth Aguilar Vázquez por el apoyo técnico, su orientación y enseñanzas durante mi formación como maestra, gracias por compartir tus conocimientos que son más valiosos que el oro, y por último pero no menos importante, gracias por brindarme tu amistad. A mi jurado de titulación formado por los Doctores Manuel Salas, Selva Rivas, Claudia Pérez y mis tutores Sofía Díaz y Roberto Prado, por tomarse el tiempo de revisar este trabajo de tesis y todas sus valiosas observaciones y contribuciones. A la M.V.Z. Norma Serafín López por proporcionarnos los materiales y reactivos para la realización de esta tesis. IV Al Sr. Ángel Méndez Olalde, quien se encargó del cuidado de los animales, además de brindarme su ayuda y su amistad, Angelito mil gracias. Al personal del Bioterio del Instituto de Neurobiología, UNAM; al M.V.Z. José Martín García Servín y Alejandra Castilla León por proporcionar a los animales para realizar esta tesis. A la Unidad de Enseñanza, en especial a Lupita y la M. en C. Leonor Casanova Rico, por todo el apoyo administrativo y sus atinados consejos durante el transcurso de esta aventura llamada Maestría. A la Unidad de Microscopia, a Nydia Hernández Ríos por facilitarme el uso del microscopio y la captura de imágenes, y a Lourdes Palma Tirado por su asesoría. A la Unidad de Videoconferencia, por el apoyo técnico de la Lic. Ma. de Lourdes Lara Ayala. A la Unidad de Computo, por la asistencia técnica de los ingenieros Ramón Martínez Olvera, Alberto Lara Rubalcava, Sandra Hernández García y Omar González Hernández. A la Biblioteca del Campus Juriquilla, al Dr. Francisco Valles Valenzuela y a todo su personal por facilitarnos el material bibliográfico. A CONACYT, por la beca otorgada (M.G.M.D. 298047) sin la cual no hubiera sido posible realizar este posgrado. A la Dirección General de Apoyo al Personal Académico de la UNAM, por el apoyo otorgado a través del proyecto PAPIIT IN201415. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por el apoyo otorgado a través del proyecto 237570. V A mis amigos, colegas y compañeros del laboratorio B-04, gracias por su apoyo, sus atinados comentarios y por todos los momentos agradables que compartí con ustedes, en especial al “equipo espinas”. Al laboratorio C-02, por recibirme como a una más de sus integrantes. A mis amigos y familia queretana Azu, Erika, Laura, Didis, Jesús, Adriana, Susy, Israel, Isaac, Luis, Jorge, Zeus, Alexander, Paola, Min, Karina y Lety por su amistad y cariño, los quiero chicos. A todos mis amigos, que a lo largo de los años he tenido la oportunidad de convivir con ellos y dejé para venir a realizar una parte de un gran sueño. A mi familia, por todo el amor y apoyo que desde pequeña me han dado, y por darme las bases para ser quien soy hoy por hoy. A mi nueva familia Arrazola y Cortés, por abrirme las puertas de su casa y su corazón, por todos esos cafecitos y cervezas acompañados de largas y amenas charlas. A mi esposo, mi amigo y mi compañero de carrera, de paseos, de recreaciones, de juegos y de vida. Gracias por todo tu apoyo incondicional en cada momento, por tus ánimos y palabras cuando las cosas se veían complicadas, por las lecciones vividas, por las idas y venidas, por las subidas y bajadas, por las desveladas juntos, por preparar las comidas y nutrir mi corazón. A los roedores, porque siempre han sido y serán un excelente modelo experimental. Un agradecimiento especial a la UNAM, por permitirme seguir creciendo como persona y profesionista. Tus colores ya forman parte de mi corazón. VI Dedico esta tesis a: Mis padres Ángel y Martha, por ser un gran apoyo y ejemplo en mi vida. Mi amado esposo Alfonso Rafael, por ser mi mejor y mi peor crítico. Mi abuelo Luis Degollado†, mi Coco, por enseñarme a hacer las cosas siempre con una sonrisa. VII Nada es demasiado maravilloso para ser cierto, si es consistente con las leyes de la naturaleza. Michael Faraday VIII ÍNDICE INDICE DE FIGURAS ..................................................................................................... X INDICE DE TABLAS ...................................................................................................... XII RESUMEN ....................................................................................................................XIII ABSTRACT .................................................................................................................. XIV 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1 2. ANTECEDENTES ........................................................................................................ 3 2.1. Aprendizaje ..................................................................................................... 3 2.2. Memoria .......................................................................................................... 6 2.3. Consolidación de la memoria .......................................................................... 6 2.4. Entrenamiento incrementado .......................................................................... 9 2.5. Formación hipocampal .................................................................................. 10 2.5.1. Consideraciones anatómicas........................................................... 10 2.5.2. Hipocampo ...................................................................................... 11 2.5.3. Consideraciones funcionales ........................................................... 14 2.6. Espinas dendríticas ....................................................................................... 16 2.7. Espinas dendríticas y la memoria ................................................................. 19 3. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 21 4. HIPÓTESIS ................................................................................................................ 22 5. OBJETIVOS ............................................................................................................... 23 5.1. Objetivo general ............................................................................................ 23 5.2. Objetivos particulares .................................................................................... 23 6. MATERIAL Y MÉTODOS ........................................................................................... 24 6.1. Sujetos .......................................................................................................... 24 IX 6.2. Manipulación ................................................................................................. 24 6.3. Aparatos ........................................................................................................ 24 6.4. Procedimiento conductual ............................................................................. 25 6.4.1. Entrenamiento ................................................................................. 25 6.4.2. Prueba de retención ........................................................................ 26 6.5. Diseño experimental ..................................................................................... 26 6.6. Estudio morfológico ....................................................................................... 28 6.6.1. Técnica de impregnación argéntica ................................................. 29 6.6.2. Análisis morfológico ......................................................................... 30 6.7. Análisis estadístico ........................................................................................ 30 7. RESULTADOS ........................................................................................................... 32 7.1. Procedimiento conductual ............................................................................. 32 7.2. Estudio morfológico ....................................................................................... 34 8. DISCUSIÓN ................................................................................................................ 46 9. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 55 10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 56 X ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Condicionamiento clásico ................................................................................. 4 Figura 2. Condicionamiento operante .............................................................................. 5 Figura 3. Clasificación temporal de la memoria ............................................................... 7 Figura 4. Formación hipocampal ................................................................................... 12 Figura 5. Proyecciones de la formación hipocampal ..................................................... 14 Figura 6. Clasificación de las espinas dendríticas ......................................................... 18 Figura 7. Cámara de Evitación Inhibitoria (EI) ............................................................... 25 Figura 8. Esquema del procesamiento conductual ........................................................ 26 Figura 9. Línea temporal del desarrollo de los grupos experimentales .......................... 28 Figura 10. Latencia de entrada ...................................................................................... 32 Figura 11. Latencia de escape ....................................................................................... 33 Figura 12. Latencia de retención ................................................................................... 34 Figura 13. Hipocampo de la rata .................................................................................... 34 Figura 14. Neurona piramidal del área CA1 del hipocampo dorsal de la rata ................ 35 Figura 15. Densidad de espinas dendríticas del segmento proximal de la dendrita apical .............................................................................................................................. 36 Figura 16. Densidad de espinas delgadas, hongo y cortas del segmento proximal de la dendrita apical ................................................................................................................ 36 Figura 17. Densidad de espinas ramificadas y dobles del segmento proximal de la dendrita apical ................................................................................................................ 37 Figura 18. Densidad de espinas dendríticas del segmento medial de la dendrita apical .............................................................................................................................. 38 Figura 19. Densidad de espinas delgadas, hongo y cortas del segmento medial de la dendrita apical ................................................................................................................ 38 XI Figura 20. Densidad de espinas ramificadas y dobles del segmento medial de la dendrita apical ................................................................................................................ 39 Figura 21. Densidad de espinas dendríticas del segmento distal de la dendrita apical .............................................................................................................................. 40 Figura 22. Densidad de espinas delgadas, hongo y cortas del segmento distal de la dendrita apical ................................................................................................................ 40 Figura 23. Densidad de espinas ramificadas y dobles del segmento distal de la dendrita apical ................................................................................................................ 41 Figura 24. Densidad de espinas dendríticas del segmento proximal de las dendritas basales ...........................................................................................................................42 Figura 25. Densidad de espinas delgadas, hongo y cortas del segmento proximal de las dendritas basales ........................................................................................................... 43 Figura 26. Densidad de espinas ramificadas y dobles del segmento proximal de las dendritas basales ........................................................................................................... 43 Figura 27. Densidad de espinas dendríticas del segmento distal de las dendritas basales ........................................................................................................................... 44 Figura 28. Densidad de espinas delgadas, hongo y cortas del segmento distal de las dendritas basales ........................................................................................................... 44 Figura 29. Densidad de espinas ramificadas y dobles del segmento distal de las dendritas basales ........................................................................................................... 45 XII ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Diseño experimental ........................................................................................ 28 Tabla 2. Resumen de los resultados obtenidos respecto al grupo Intacto (INT) ............ 54 XIII RESUMEN Una de las funciones del hipocampo es almacenar información en la memoria de largo plazo, a través del proceso de consolidación. Se sabe que la densidad de las espinas dendríticas de las neuronas piramidales del área CA1 del hipocampo se incrementa como consecuencia de la formación y expresión de memorias asociativas y que pueden intervenir en la consolidación de la memoria. El objetivo de este trabajo fue cuantificar la densidad de espinas dendríticas así como la proporción de los diferentes tipos de espinas de las dendritas apicales y basales de neuronas piramidales de CA1, durante la consolidación de la memoria de ratas entrenadas en condiciones moderadas o incrementadas en la tarea de evitación inhibitoria. Los resultados muestran un incremento en la densidad de espinas en el segmento proximal de las dendritas basales en el grupo entrenado en condiciones moderadas, mientras que para la densidad proporcional de los tipos de espinas observamos un incremento en las espinas tipo hongo en el segmento proximal de las dendritas basales en las ratas entrenadas en condiciones moderadas y en las entrenadas con sobrerreforzamiento. Los cambios observados para la dendrita apical sugieren que dependen del contexto al que se sometieron las ratas estudiadas y de las características aversivas de los estímulos aplicados; mientras que los cambios en las dendritas basales se deben al aprendizaje de la tarea y, por consiguiente, al proceso de consolidación. Por lo tanto, los cambios en la citoarquitectura de las espinas dendríticas observados al momento de la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria se dan principalmente en las dendritas basales, como respuesta para mantener la intensidad de las conexiones sinápticas excitadoras provenientes de las fibras de Schaffer del CA3. Estos resultados, demuestran que hay cambios sinápticos a nivel de las espinas en condiciones de entrenamiento moderado e incrementado, que podrían encontrarse en algunas alteraciones cognitivas, como en el síndrome de estrés postraumático. XIV ABSTRACT A function of the hippocampus is to store information in long-term memory through the process of consolidation. It is known that spine dendritic density of hippocampal CA1 pyramidal neurons increases due to the development and expression of associative memories and it might be involved in memory consolidation. The aim of this study was to quantify the density and shape of dendritic spines of apical and basal dendrites of CA1 pyramidal neurons during memory consolidation in rats trained in either a moderate or an enhanced inhibitory avoidance task. The results show that dendritic spine density increases in the proximal segment of the basal dendrites in the group trained under moderate conditions, whereas the ratio of mushroom spines was increased in the proximal segment of basal dendrites in rats trained in both moderate and enhanced conditions. The changes observed in the apical dendrite suggest that they are dependent on the context and characteristics of aversive stimuli applied; while changes in the basal dendrites are due to the learning task and consequently to the consolidation process. Therefore, changes in morphology of dendritic spines observed mainly in the basal dendrites at the time of memory consolidation process of inhibitory avoidance, allow for the maintaining the excitatory synaptic connections in Schaffer fibers of CA3, this would permit us to know whether the changes in synaptic connections at spine level could also occur in cognitive impairments such as post-traumatic stress syndrome. 1 1. INTRODUCCIÓN El sistema nervioso (SN) nos permite percibir el mundo exterior e interactuar con él, debido a modificaciones estructurales y funcionales que se producen a lo largo de la vida de una persona, en los principales componentes celulares del SN son las neuronas y las células gliales. Las neuronas son células especializadas que se comunican a través de potenciales eléctricos transmitidos a las conexiones sinápticas, las cuales se pueden ajustar para responder de forma flexible a los cambios en el medio ambiente, por ejemplo, cuando aprendemos (Lohmann & Kessels, 2014); este fenómeno es denominado plasticidad cerebral y se refiere a las modificaciones en la intensidad o en la eficacia de la transmisión sináptica en sinapsis preexistentes dependientes de actividad, así como en las sinapsis de nueva creación (Horner, 1993; Gispen, 1993; Citri & Malenka, 2008). El aprendizaje y la memoria son procesos cognitivos dependientes de la plasticidad cerebral, que pueden estudiarse a diferentes niveles, por ejemplo, a nivel conductual, funcional, estructural, sináptico, molecular y de expresión génica (Kolb & Gibb, 2011). El aprendizaje se ha definido como el cambio en la conducta del sujeto, derivado de la experiencia, que es más o menos permanente (Prado-Alcalá & Quirarte, 1998) y existe evidencia experimental de que, como resultado del aprendizaje se producen cambios funcionales y/o estructurales en el SN que pueden ser duraderos (Mendoza- González, 2002; Morgado-Bernal, 2005; Correa, 2007). A la memoria se le describe como el fenómeno por el cual se retiene o almacena la información adquirida, la cual puede ser recuperada a lo largo del tiempo (Kandel, 2001). Existen diversas clasificaciones en cuanto a los tipos de memoria y una de las más utilizadas, debido a los cambios estructurales y funcionales que implica, es la que está definida en función del tiempo durante el cual la información permanece accesible para un organismo, esta memoria se divide en memoria de corto plazo (MCP) y memoria de largo plazo (MLP) (McGaugh, 2000; Prado-Alcalá & Quirarte, 1998; Prado-Alcalá, et al., 2004). Se ha planteado que para que la información almacenada en la MCP pueda ser transferida a la MLP se requiere de un proceso llamado consolidación, el cual fue propuesto hace más de un siglo por Müeller y Pilzecker (1900) y se refiere al tiempo que 2 se requiere para pasar de una MCP a una MLP. Supuestamente este proceso requiere de ARNm de novo asi como de la síntesis de proteínas de novo, y es dependiente del tiempo, ya que durante la consolidación la información es lábil y se puede interrumpir interfiriendo con la formación de la MLP (McGaugh, 1966; Davis & Squire, 1984; Igaz et al., 2002; Dudai, 2004; Dudai & Eisenberg, 2004; Prado-Alcalá et al., 2007; Da Silva et al., 2008). El hipocampo es una estructura del sistema límbico que participade manera esencial en la formación de la memoria (Scoville & Milner, 1957; Eichenbaum, 2004). Una de las principales funciones que se le atribuye al hipocampo es la de codificar rápidamente asociaciones de un estímulo complejo y almacenar la experiencia en la memoria (Morris & Frey, 1997); por ejemplo, en la tarea de evitación inhibitoria la función del hipocampo ha sido ampliamente demostrada, ya que al interferir con su actividad se deteriora la memoria de este aprendizaje (Izquierdo et al., 1992; Ambrogi-Lorenzini et al., 1996; Martínez et al., 2002). Diferentes trabajos han demostrado que ante un entrenamiento incrementado se genera un efecto protector contra tratamientos que normalmente son amnésicos; por ejemplo, se ha encontrado que con tratamientos sistémicos, o aplicados localmente y que interfieren con la actividad de estructuras cerebrales específicas como el hipocampo, el estriado, la sustancia nigra y la amígdala la memoria se deteriora, pero cuando los animales son sometidos a un estímulo más intenso durante el entrenamiento o a un mayor número de sesiones de entrenamiento no se producen deficiencias en la memoria (Díaz-Trujillo et al., 2009; Salado-Castillo et al., 2011; Prado-Alcalá et al., 2012). Este trabajo tiene como objetivo evaluar los cambios plásticos que ocurren a nivel morfológico en las espinas dendríticas de neuronas piramidales del área CA1 del hipocampo después de un entrenamiento moderado (1.0 mA) o sobrerreforzado (3.0 mA) en la tarea de evitación inhibitoria. 3 2. ANTECEDENTES Algunas conductas son consecuencia de la modificación de los patrones de acción que resultan de la interacción constante del individuo con el medio ambiente; tal modificación está representada por el aprendizaje y la memoria, los cuales son dos procesos que no pueden ser separados fácilmente. El aprendizaje se reconoce como un cambio en la conducta, pero la información que induce este cambio debe ser primero almacenada en la memoria para poder evaluar su ejecución en un tiempo posterior, por lo tanto, la memoria también es determinante para la adaptación del organismo a su medio (Kandel, 2001). 2.1. Aprendizaje El aprendizaje es un proceso necesario para la gran mayoría de las especies animales, ya que les ayuda a adaptarse mejor al medio que les rodea, desarrollando la capacidad de hacer ajustes en su conducta. Se ha definido el aprendizaje como un cambio en la conducta más o menos permanente resultante de la experiencia y que no es resultado de la maduración, fatiga, drogas y/o enfermedad (Hilgard & Marquis, 1956), y se le ha clasificado en dos tipos: no asociativo y asociativo. El aprendizaje no asociativo es el más simple y se encuentra en casi toda la escala filogenética del reino animal; y para que se presente no es necesario que se establezca una asociación entre un estímulo y una respuesta, sino que se presenta como consecuencia de la exposición repetida a un estímulo que no está relacionado con otro, y que genera cambios en la respuesta a dicho estímulo. El aprendizaje no asociativo puede generar una habituación, que es la reducción de la intensidad de las reacciones reflejas ante un estímulo inocuo repetitivo, o bien, generar sensibilización la cual es el fortalecimiento de una respuesta ante una amplia variedad de estímulos, que sigue a un estímulo intenso o nocivo (Aguado-Aguilar, 2001; Kandel, 2002). El aprendizaje asociativo implica el establecimiento de una asociación entre uno o varios estímulos y una respuesta; los principales tipos de aprendizaje asociativo son el condicionamiento clásico y el condicionamiento operante o instrumental; el primero (Figura 1), es un aprendizaje que implica la asociación entre dos estímulos, en el que un 4 estímulo poco significativo o neutral (estímulo condicionado) no produce ninguna respuesta predecible, sino hasta que es asociado a un estímulo significativo (estímulo incondicionado), el cual produce una respuesta incondicionada o refleja en particular. Una vez que ambos estímulos se asocian, la sola presentación del estímulo condicionado genera una respuesta condicionada igual o muy semejante a la incondicionada (Domjan, 2005). Figura 1. Condicionamiento clásico. EI: Estímulo incondicionado; RI: Respuesta incondicionada; EC: Estímulo condicionado; RC: Respuesta condicionada. El condicionamiento operante implica la asociación entre estímulos y respuestas, y se caracteriza porque la conducta del sujeto es el instrumento para la obtención de una recompensa o para evitar un estímulo aversivo. Este aprendizaje consiste en que ante la presencia de un estímulo el sujeto emite una respuesta, y a la respuesta le sigue una consecuencia, que modifica la conducta del sujeto teniendo un efecto directo sobre la probabilidad de que se presente de nuevo la respuesta (Reynolds, 1973). 5 A las consecuencias se les ha llamado reforzadores, los cuales pueden ser cualquier estímulo o evento que incrementa la probabilidad de que una conducta se repita, los reforzadores pueden ser positivos o negativos. Un reforzador positivo o estímulo apetitivo, es cualquier evento que cuando se presenta inmediatamente después de una respuesta, incrementa la probabilidad de que el sujeto repita una respuesta. Por su parte, el reforzador negativo, es cuando la emisión de una respuesta evita la presentación de un estímulo aversivo, por lo que se incrementa la probabilidad de que tal respuesta ocurra de nuevo (Mendoza-González, 2002; Bower & Hilgard, 2011). La relación entre consecuencias positivas y negativas y la ejecución u omisión de la respuesta da lugar a cuatro posibles procedimientos para modificar la conducta (Figura 2). El entrenamiento por reforzamiento negativo ha sido ampliamente utilizado para determinar las condiciones que producen el aprendizaje, debido a que es posible que en un solo ensayo se establezca una asociación entre una conducta con el estímulo aversivo. El escape y la evitación son dos condicionamientos en los que los estímulos aversivos incrementan o mantienen la acción de responder; en el condicionamiento de escape el sujeto debe responder rápidamente a la presentación del estímulo aversivo para evitar que éste continúe, mientras que en el condicionamiento de evitación, la ejecución de una respuesta le permite al sujeto impedir o posponer el comienzo de un estímulo aversivo (Reynolds, 1973; Domjan, 2010). Figura 2. Condicionamiento operante. Tipos de eventos que pueden modificar la conducta. 6 2.2. Memoria La memoria se refiere a la persistencia del aprendizaje en un estado que puede ser revelado un tiempo después (Squire, 1987; Tulving, 2002); la memoria es un proceso activo y complejo que implica tres diferentes etapas: la adquisición o aprendizaje, que ocurre cuando nueva información ingresa para ser procesada por el sistema nervioso central (SNC); la consolidación o almacenamiento de la información, donde se supone que, a través de la síntesis de proteínas y de ARN mensajero (ARNm), la MCP pasa de un estado lábil a uno estable, MLP; y por último, la evocación o recuperación de la información almacenada para poder ser utilizada cuando se requiera. Estudios a nivel celular y molecular sugieren que estas fases pueden compartir mecanismos similares, y que su activación en el tiempo podría ser de forma secuencial o en paralelo (Abel & Lattal, 2001). Para el estudio de la memoria existen varias categorías de análisis en función de características particulares. Como se mencionó anteriormente, una de las clasificaciones de la memoria es aquella que hace énfasis en el periodo en que la información está disponible para el organismo (Figura 3); es decir, la que divide a la MCP y MLP. La MCP representa un almacén de información de vida corta, comprende un periodo que va de segundos a minutos y tiene una capacidadlimitada de almacenamiento. La MCP también sirve como una puerta de enlace a través de la cual la información puede pasar a constituir la MLP, la cual se considera que puede ser más o menos permanente, puede durar horas, años e incluso toda la vida del organismo y se dice que es ilimitada en cuanto a su capacidad de almacenamiento (citado en Prado- Alcalá et al., 2008). La MLP implica la producción de cambios plásticos relativamente duraderos, tales como incremento en la densidad de botones sinápticos, en la longitud y ramificaciones axónicas, así como en el número de espinas dendríticas (Dudai, 2002). 2.3. Consolidación de la memoria En 1900 Georg Müeller y Alfons Pilzecker publicaron un trabajo en el cual introdujeron el concepto de consolidación, que la definieron como el tiempo que se requiere para que la información guardada en la MCP sea transferida a la MLP. 7 Años más tarde, en 1949, Donald O. Hebb publicó sus ideas acerca de la neurobiología de la memoria, donde explica que la información sensorial activa redes neuronales que mantienen potenciales de acción que dan lugar a la representación de la MCP, y posteriormente, la activación constante de estos circuitos provoca cambios estructurales duraderos en algunas regiones del cerebro que dan lugar a la MLP. Históricamente, fueron Katz y Halstead en 1950, quienes proponen un proceso molecular complejo como sustrato de la consolidación de la memoria; propusieron que la síntesis de nuevas proteínas es esencial para la formación de la MLP. Esta hipótesis ha sido sometida a comprobación desde hace ya varios años, y con el uso de fármacos que inhiben la síntesis de proteínas a nivel de la traducción y/o transcripción se ha analizado el papel de la síntesis de proteínas de novo para la formación de nuevas memorias (Davis & Squire, 1984; Díaz-Trujillo et al., 2009; Rodríguez-Serrano, 2010). Figura 3. Clasificación temporal de la memoria. MCP, Memoria de corto plazo; MLP, Memoria de largo plazo (Modificado de Dudai, 2004). 8 Se han descrito procesos moleculares que se observan durante la formación de la MCP y la MLP; de esta manera se sabe que durante el establecimiento de la MCP los neurotransmisores facilitan la activación de la vía del adenosín monofosfato cíclico (cAMP), mientras que la MLP requiere de la activación de genes (Barco et al., 2006). Por lo tanto, se podría decir que la consolidación de la memoria es un proceso que involucra eventos bioquímicos, moleculares y celulares que causan cambios en la conectividad sináptica de las neuronas (Squire & Davis, 1981), lo cual hace suponer que estos eventos son la base que permite la transición de una MCP a una MLP, en una escala temporal de segundos a minutos (Eichenbaum, 2003), donde la memoria permanece vulnerable y puede ser interrumpida por un periodo de tiempo después del aprendizaje (Lechner et al., 1999). La MCP involucra la activación de cascadas de transducción de señales, es decir, el proceso por el cual una célula transforma una señal extracelular en una respuesta intracelular, pero para que la MCP de lugar a la MLP las señales de transducción deben llegar al núcleo de la neurona donde se lleva a cabo el proceso de transcripción y posteriormente, en el citoplasma, la traducción del ARNm sintetizado, finalizando con la síntesis de proteínas de novo que son necesarias para remodelar las sinapsis, permitiendo que la huella de la memoria sea más estable. A este proceso se le conoce como consolidación sináptica (Frankland & Bontempi, 2005). Se ha propuesto que el proceso de consolidación ocurre dentro de las primeras 6 horas posteriores a la experiencia en una tarea de evitación inhibitoria (EI) (O´Malley et al., 1998); esto se ha demostrado en varios experimentos en los que sí se interfiere con el proceso de transcripción o de síntesis de proteínas en diferentes ventanas de tiempo, que van desde los minutos antes del entrenamiento hasta las 24 horas posteriores al entrenamiento; se observa un efecto amnésico solo dentro de las primeras 6 horas (Igaz et al., 2002; Freeman et al., 1995). Estudios más recientes mencionan que la consolidación se divide en dos tipos: a) Consolidación a nivel celular o sináptico, la cual es rápida e implica eventos moleculares y celulares que ocurren inmediatamente después del entrenamiento, y no van más allá de minutos, horas o días. 9 b) Consolidación de sistemas, la cual es lenta e implica la participación de diferentes regiones neocorticales, y su interacción con estructuras del lóbulo temporal medial reorganiza el material de información reciente (Dudai, 2004; Medina et al., 2008). 2.4. Entrenamiento incrementado En la búsqueda de estructuras cerebrales y de sistemas de neurotransmisión que pudieran estar participando en el aprendizaje y la memoria, uno de los procedimientos conductuales más empleados es el de la evitación inhibitoria, el cual consiste en entrenar a los sujetos a evitar un estímulo aversivo por medio de la inhibición de una respuesta de tipo motor (Prado-Alcalá et al., 2012). Se ha demostrado que cuando un organismo es expuesto a un entrenamiento o aprendizaje incrementado (una situación en la cual el sujeto recibe más sesiones de entrenamiento después de haberse alcanzado una asíntota, o es entrenado con intensidades de estimulación aversiva relativamente altas en tareas de tipo aversivo), se genera un efecto protector ante la exposición a tratamientos amnésicos. Este efecto protector se manifiesta por la formación de la MLP, a pesar de dichos tratamientos. Esta hipótesis del efecto protector ante tratamientos amnésicos provocado por el entrenamiento incrementado se ha demostrado por la administración sistémica (Cruz- Morales et al., 1992; Solana-Figueroa et al., 2002; Díaz-Trujillo et al., 2009) o en diferentes regiones cerebrales de sustancias que interfieren de manera temporal con la actividad eléctrica neuronal o con la transmisión sináptica (Giordano & Prado-Alcalá, 1986; Pérez-Ruiz & Prado-Alcalá, 1989; Cobos-Zapiaín et al. 1996; Salado-Castillo et al., 2011), así como con la síntesis de ARNm o de proteínas (Rodríguez-Serrano, 2010; Torres-García, 2012). Se acepta que la consolidación de la memoria podría involucrar una relación entre genes y sinapsis (Kandel, 2001; citado por Morgado-Bernal, 2011); como resultado de esta relación ocurre una remodelación en las espinas dendríticas, proporcionando cambios estructurales relativamente persistentes que favorecen la estabilización y el mantenimiento de la memoria de largo plazo. Estos cambios incluyen no sólo la formación de nuevas espinas, sino también el alargamiento de la cabeza de las espinas ya formadas 10 o bien a la disminución de otras espinas (Engert & Bonhoeffer, 1999; citado por Morgado- Bernal, 2011). A la fecha, estos cambios estructurales se han estudiado en condiciones de aprendizaje y memoria de tareas con entrenamiento moderado, con un número de ensayos o de intensidad de estimulación aversiva suficientes para alcanzar niveles asintóticos (o menores) de ejecución. Sólo existe una publicación en la que se estudió la dinámica de cambios en la densidad de espinas dendríticas del hipocampo en ratas que fueron sometidas a un proceso de extinción de un aprendizaje de evitación inhibitoria mediado por niveles relativamente bajos o altos de entrenamiento (Garín-Aguilar et al., 2012), y se encontró que tras un entrenamiento incrementado, durante el cual la estimulación aversiva fue mayor, las ratas tuvieron una mayor resistencia a la extinción de la memoria, que represente un índice de que hubo una fuerte consolidación. También observaron una disminución o poda en las espinas dendríticas en los segmentos proximal y medial de la dendrita apical tras los 6 días consecutivos de sesiones de extinción, pero observaron un mantenimiento de las espinasen el segmento distal de la dendrita apical de las neuronas piramidales del área CA1 del hipocampo dorsal, por lo que sugieren que en los grupos que recibieron una estimulación aversiva mayor la resistencia a la extinción podría estar relacionada con el mantenimiento de las espinas dendríticas. La presente tesis pretende establecer si existe relación entre la consolidación de la memoria en una tarea de evitación inhibitoria con entrenamiento bajo e incrementado y la densidad y tipo de espinas en las dendritas apical y basal de las neuronas piramidales del área CA1 del hipocampo. 2.5. Formación hipocampal 2.5.1. Consideraciones anatómicas La formación hipocampal (FH) es parte del sistema límbico y de la arquicorteza; se encuentra formada por las cortezas entorrinal (medial y lateral), perirrinal y parahipocampal, el complejo subicular (subiculum, pre y parasubiculum), el propio hipocampo o Cornu Ammonis (CA) y el giro dentado (Amaral et al., 2007; Andersen, et al., 2007). 11 La FH, tanto en humanos como en primates, se localiza en la parte medial o interna del lóbulo temporal, bajo la superficie cortical, y su forma de caballito de mar es típica de primates, pero en otros mamíferos tiene formas variadas. En los roedores, la FH es una estructura en forma de “C” que se ubica en el diencéfalo, mide aproximadamente 1.2 cm3 en la rata adulta y tiene una posición rostro caudal desde la altura de los polos septales siguiendo un eje caudo-ventral hacia el lóbulo temporal; el polo septal está localizado en la parte dorsal del encéfalo y es más anterior al resto del hipocampo, mientras que el polo temporal se localiza en la parte ventral y caudal del encéfalo (Figura 4) (Andersen et al., 2007; Scharfman & Myers, 2012). 2.5.2. Hipocampo Anatómicamente el hipocampo es una estructura subcortical localizada en el lóbulo temporal y forma parte del sistema límbico, se pueden distinguir tres regiones de naturaleza glutamatérgica: 1) el giro dentado (GD), formado por células granulares; 2) el cuerno de Ammón (CA), formado por neuronas piramidales de proyección y que incluye los campos CA1, CA2 y CA3; y 3) la región hilar formada por células polimorfas (Amaral et al., 2007). Su organización laminar permite identificar 5 estratos: el stratum piramidale, compuesto por los somas de las neuronas piramidales; el stratum radiatum y el stratum lacunosum moleculare que corresponden a las arborizaciones dendríticas apicales; el stratum oriens que está formado por las dendritas basales y los axones de las neuronas piramidales; y el stratum lucidum en el cual se encuentran las aferencias de las fibras musgosas (Cohen & Eichenbaum, 1993; Witter & Amaral, 2004; Afifi & Bergman, 2006). 12 Figura 4. Formación hipocampal. Cortes coronales teñidos con Nissl donde se muestra la formación hipocampal de rata, mono y humano. Se pueden observar las similitudes de la estructura cerebral en estas especies (Esquema modificado de Andersen et al., 2007). El hipocampo recibe información principalmente de la corteza entorrinal, por medio de la vía perforante, formando proyecciones corticohipocampales mediante aferencias glutamatérgicas. Existen dos proyecciones aferentes distintas y topográficamente organizadas desde la corteza entorrinal. Las primeras son las proyecciones de la vía perforante que surgen principalmente de la capa II y III de la corteza entorrinal. Las células de la capa II proyectan casi exclusivamente al GD y al área CA3 del hipocampo, mientras que las células de la capa III proyectan hacia el área CA1 del hipocampo y al subículo; estas proyecciones son robustas y organizadas en los cerebros de ratas y monos (Amaral, 1993). La segunda entrada importante al hipocampo es el sistema de la fimbria fornix (FF), que provee al GD y al CA de inervación aminérgica y colinérgica 13 procedente del septo y de los núcleos de la formación reticular del tronco encefálico (Almaguer-Melian et al., 2003). El blanco principal de la vía perforante proveniente de la capa II de la corteza entorrinal es la capa molecular del giro dentado que forma la primera sinapsis del circuito hipocampal. Las fibras musgosas, las cuales son los axones de las células granulares del giro dentado, forman la segunda sinapsis al unirse con las células piramidales del CA3. Las neuronas piramidales del CA3 proyectan sus axones (colaterales de Schaffer) a las neuronas piramidales del área CA1 formando la tercera sinapsis del clásico circuito trisináptico del hipocampo (Buzsáki & Eidelberg, 1982). El área CA1 proyecta en forma columnar al subiculum, y algunas de sus proyecciones también se dirigen a capas profundas de la corteza entorrinal (Figura 5) (Isaacson, 1982). Por otra parte, en el circuito intrasináptico del hipocampo, las neuronas piramidales del CA1 reciben aferencias provenientes del hipocampo contralateral (fibras comisurales intrahipocámpicas) a nivel del primer tercio de la dendrita apical y en las dendritas basales (stratum oriens) (Witter et al., 1989; Kaibara & Leuing, 1993). Asimismo, las neuronas piramidales del CA1 reciben aferencias de la corteza entorrinal a través de la vía perforante provenientes de la capa III, las cuales terminan a nivel del stratum lacunoso moleculare (Köhler, 1985). Pero en condiciones experimentales, aumentan las colaterales de Schaffer y terminan en las dendritas basales de las neuronas piramidales del CA1 (stratum oriens) (Kaibara & Leuing, 1993; Amaral & Lavenex, 2007). Las diferentes aferencias laminadas al área de CA1 sugieren la posibilidad de una alta interacción de entradas sinápticas (Kaibara & Leuing, 1993). 14 Figura 5. Proyecciones de la formación hipocampal. a) Proyecciones a lo largo del eje transversal de la formación hipocampal (Modificado de Amaral & Lavenex, 2007). b) Entrada de la vía perforante al hipocampo; las neuronas de la corteza entorrinal mandan proyecciones a través de la vía perforante (VP) directamente a CA1 y hacia el giro dentado (GD), el GD conecta con CA3 por medio de las fibras musgosas (fm). Las células piramidales de CA3 mandan sus axones a ellas mismas a por medio de las colaterales recurrentes (Cr) y a CA1 a través de las colaterales de Schaffer (CS); a su vez CA1 recibe fibras del hipocampo contralateral a través de la vía comisural (com) (Modificado de Yassa & Stark, 2011). 2.5.3. Consideraciones funcionales El hipocampo es una estructura cuya participación en la consolidación de la memoria se conoce ampliamente (Eichenbaum, 2003; 2004). Desde hace más de 50 años es motivo de estudio y el caso H.M. (Henry Molaison) dio una gran cantidad de información sobre su función, cuando le extirparon el lóbulo temporal medial como remedio para una 15 epilepsia intratable; el paciente mantuvo el recuerdo de eventos previos a la lesión (MLP) pero fue incapaz de consolidar nuevas experiencias. Desde entonces, la cantidad de información sobre el funcionamiento del hipocampo relacionado con los procesos cognitivos en humanos, primates y roedores ha sido enriquecedora (Scoviille & Milner, 1957; Squire, 1992). Según Squire (1992) el hipocampo está implicado en la memoria declarativa y juega una función crucial en la codificación y formación de memorias de tipo espacial; el procesamiento mnemónico en la formación hipocampal sólo es temporal y necesario para que las memorias sensoriales multimodales se almacenen en estructuras no hipocampales como la corteza prefrontal a través de la consolidación. Funcionalmente se le divide en tres compartimentos: ventral, intermedio y dorsal, el hipocampo ventral se relaciona con las emociones, el estrés y el afecto; el hipocampo intermedio es una zona de transición donde se traslapan las regiones dorsal y ventral, mientras que el hipocampo dorsal desempeña funciones cognitivas que se relacionan con el procesamiento de información(Dong et al., 2009). El hipocampo es una de las regiones cerebrales más vulnerables a los agentes excitotóxicos (Pulsinelli, 1985). Los mecanismos que subyacen a esta vulnerabilidad especifica no son claros, pero la presencia y la alta densidad de receptores de glutamato N-metil-D-aspartato (NMDA) parecen tener un papel crucial (Schmidt-Kastner et al., 1990); de hecho, se ha demostrado que la sobreestimulación de los receptores NMDA desencadena la muerte celular (Rivera-Cervantes et al., 2004; Gascon et al., 2008; Martel et al., 2009). La vía perforante proporciona información sensorial supramodal procedente de todas las áreas corticales de asociación sensorial. Estudios en ratas en los que se ha lesionado el hipocampo, ponen de manifiesto que esta estructura desempeña un papel importante en la representación espacial de contextos (Winocur et al., 1987; Penick & Solomon, 1991), en pruebas de condicionamiento del miedo al contexto (Rudy & O'Reilly, 1999) y además, que también puede sustentar el procesamiento de información de carácter no espacial (Wallenstein et al., 1998), así como en tareas de evitación inhibitoria (Izquierdo et al., 1992). 16 2.6. Espinas dendríticas Ha pasado más de un siglo desde que Santiago Ramón y Cajal describiera por primera vez la existencia de las espinas dendríticas. Desde sus observaciones en 1899, señalaba que las conexiones sinápticas se hacían directamente en las espinas, en lugar de que lo hicieran en los ejes dendríticos. La hipótesis de Cajal fue confirmada en 1959 por Gray, gracias a la primera visualización por microscopia electrónica de los contactos pre y postsinápticos. A partir de entonces se especuló que las espinas recibían contactos de los axones y que sus cambios morfológicos se asociaban con la función neuronal y los procesos de aprendizaje. Aunque se acepta de manera general que los cambios a largo plazo en la función sináptica son la base del aprendizaje y la memoria, hoy en día sigue sin quedar claro cómo ocurre este mecanismo a pesar de que existe evidencia de las relaciones entre la actividad sináptica, la morfología de las espinas dendríticas y la formación en el trazado de memoria (Matsuzaki, 2007). Las espinas dendríticas se encuentran en muchas especies, desde los anélidos hasta los primates, y son particularmente abundantes en el SNC de los vertebrados (Yuste, 2010). Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias del citoplasma ricas de actina de las dendritas de las neuronas, que podrían contribuir a aumentar la superficie neuronal de contacto entre éstas y las terminales axónicas. Las espinas son especializaciones estructurales cuya función primordial es la recepción y traducción de la información excitadora aferente de las neuronas, por lo que forman la parte post sináptica de la mayoría de los contactos sinápticos excitadores y la remodelación morfológica de las espinas está estrechamente relacionada con los cambios en la transmisión sináptica (Harris & Stevens, 1989; Gray, 1959). Las espinas dendríticas son pequeños compartimentos compuestos de una cabeza generalmente conectada a la dendrita por medio de un cuello estrecho (Adrian et al., 2014). Las dimensiones típicas son de ~<1 μm para el diámetro de la cabeza y de ~0.2 μm de ancho, y ~1 μm de longitud para el cuello de la espina, pero existen diferencias notables en la morfología de las espinas (Bourne & Harris, 2008; Adrian et al., 2014). La distribución de las espinas está directamente relacionada con la topografía de 17 las aferencias sinápticas, que a su vez afecta a la integración de los impulsos nerviosos procedentes de sistemas aferentes específicos. Por ejemplo, las sinapsis entre un axón y las espinas situadas en las dendritas basales de las neuronas piramidales median el control rápido de la generación del impulso nervioso; por su parte, las sinapsis entre axones y las espinas de las regiones apicales de las dendritas median la modulación lenta de la salida de los impulsos del axón; por lo tanto, la eficacia de las entradas sinápticas distales se incrementa por el efecto de amplificación de múltiples potenciales de acción simultáneos en las espinas dendríticas (Shepherd et al., 1985). Aparte de la idea de que las espinas aumentan la conectividad, se han propuesto otras funciones, como compartimentos bioquímicos, eléctricos o dispositivos neuroprotectores (Shepherd, 1996). De entre todas estas propuestas la más aceptada es que son compartimentos funcionales, es decir, la espina es la unidad funcional de la dendrita que comprende una sola entrada sináptica. Las espinas podrían restringir acumulaciones de calcio a las sinapsis individuales, y por lo tanto localizar a las sinapsis dependientes de calcio (Holmes, 1990; Yuste & Denk, 1995). Además de calcio, las espinas podrían compartamentalizar otras señales bioquímicas (Yasuda, 2006), o aislar eléctricamente las entradas sinápticas (Tsay & Yuste, 2004). La estructura de las espinas está regulada por mecanismos moleculares que están sintonizados y ajustados de acuerdo a la edad de desarrollo, nivel y dirección de la actividad sináptica, región específica del cerebro y condiciones conductuales o experimentales. Los cambios en la forma y tamaño están correlacionados con la intensidad de las conexiones sinápticas excitadoras y dependen en gran medida de la remodelación del citoesqueleto de actina (Bourne & Harris, 2008). Harris y colaboradores (1992) postularon la existencia de cuatro formas fundamentales de espinas dendríticas (delgadas, cortas, en hongo y ramificadas), de acuerdo a características geométricas precisas, que involucran dos regiones más o menos bien definidas: la cabeza y el cuello (Harris & Stevens, 1989; Tarelo-Acuña et al., 2000; Tashiro & Yuste, 2003); esta clasificación continúa vigente y sigue siendo utilizada (Figura 6), aunque recientemente se ha añadido una nueva categoría, las espinas dobles (Tarelo-Acuña et al., 2000). La proporción que guardan entre sí los distintos tipos de 18 espinas no es constante; sin embargo, en las neuronas espinosas de proyección de algunas regiones cerebrales se observan proporciones más o menos constantes, encontrando una mayor cantidad de espinas delgadas y en hongo (entre 30 y 40% del total) respecto a las espinas cortas (alrededor del 20%), y el resto de las espinas no rebasan el 5% (Tarelo-Acuña et al., 2000; Lee et al., 2005). Figura 6. Clasificación de las espinas dendríticas. Esquema que muestra la clasificación de cinco espinas dendríticas por su forma, y describen los criterios principales para clasificarlas. dcu, diámetro del cuello; dca, diámetro de la cabeza; L, longitud de la espina (Modificado de Harris et al., 1992). 19 Las espinas dendríticas no son estáticas, ya que existe una gran cantidad de estudios que muestran que las espinas dendríticas expresan diversos cambios plásticos en su distribución a lo largo de las dendritas, en su densidad y en su forma geométrica, en respuesta a las características de la información sináptica que median (González- Burgos et al., 2005; Harris & Stevens 1989; Tarelo-Acuña et al., 2000; Arellano et al., 2007; Kasai et al., 2010a). El estudio de los procesos dinámicos de las espinas dendríticas, ha revelado que ocurren transformaciones entre unos tipos de espinas y otros durante la etapa adulta, e incluso que hay neoformación y retracción total de las espinas bajo ciertas condiciones de estimulación (Garín-Aguilar, 2012; Arellano et al., 2007; Kasai et al., 2010b). Se cree que tales cambios funcionales y estructurales de las espinas dendríticas y las sinapsis son el sustrato del aprendizaje y la memoria (Yuste & Bonhoeffer, 2001; Kasai et al., 2010a). 2.7. Espinas dendríticas y la memoria Las espinas dendríticas son los sitios de contacto sináptico excitatorio con las neuronas postsinápticas,y las variaciones en el contenido de la información excitatoria, incluida la relacionada con las capacidades cognitivas como el aprendizaje y la memoria, están regulados por cambios en la morfología de las espinas dendríticas (Korkotian & Segal, 2000; González-Burgos et al., 2009; 2012). Bliss y Lomo (1973) propusieron la teoría de que la adquisición y el almacenamiento de información podrían estar relacionado con la estimulación sináptica que induce la potenciación de larga duración (LTP por sus siglas en inglés), sobre las espinas dendríticas. Por lo que la consolidación de la memoria podría verse como un diálogo entre genes y sinapsis (Kandel, 2001), y como resultado de este diálogo ocurre una remodelación en las espinas dendríticas proporcionando cambios estructurales relativamente persistentes que favorecen la estabilización y el mantenimiento de la MLP. Estos cambios incluyen no solo la formación de nuevas espinas sino también el alargamiento de la cabeza de las espinas ya formadas o bien la poda de otras espinas (Engert & Bonhoeffer, 1999). Estudios realizados in vitro han mostrado que las espinas delgadas son las que favorecen en mayor medida la transmisión del impulso nervioso a nivel sináptico. 20 Además, hay evidencia que muestra que las espinas delgadas presentan una actividad mayor que el resto de las espinas, por lo que Kasai et al. (2003) sugirieron que las espinas delgadas pudieran estar relacionadas con la adquisición de información (aprendizaje), y las espinas en hongo y las cortas podrían estar relacionadas más bien con su almacenamiento (memoria) (Bourne & Harris, 2007). Estas evidencias sugieren una estrecha relación entre la plasticidad de las espinas dendríticas y el procesamiento de información cognoscitiva (Kasai, 2010a, 2010b). Vetere y colaboradores, en 2011, observaron que un incremento de espinas dendríticas en la corteza anterior del cíngulo es necesario para que la memoria de miedo al contexto sea consolidada. Existe evidencia de que la densidad de las espinas dendríticas de las neuronas piramidales del área CA1 del hipocampo de las ratas incrementa causalmente por la formación y expresión de memorias asociativas (Leuner et al., 2003) y pueden estar implicadas en el proceso de consolidación de la memoria (Diamond et al., 2006). Además, hay estudios que relacionan los distintos tipos de espinas en la formación de la memoria, porque tienen diferentes propiedades funcionales, tales como el nivel de actividad de los cambios inducidos por concentración de calcio intracelular (Korkotian & Segal, 2000) o por los niveles del receptor a glutamato (Matsuzaki et al, 2001). La plasticidad estructural y funcional de las espinas dendríticas en el hipocampo implican la alteración del tamaño y la composición de la densidad postsináptica; así como la polarización y despolarización de los filamentos de actina, la exocitosis y endocitosis de los receptores de glutamato y canales iónicos, la regulación de la síntesis local de proteínas por la redistribución de polirribosomas y proteasomas, el reposicionamiento dinámico del retículo endoplásmico liso y las mitocondrias, y las interacciones estructurales y metabólicas entre espinas y la astroglía perisináptica (Bourne & Harris, 2008). 21 3. JUSTIFICACIÓN En condiciones de entrenamiento incrementado de evitación inhibitoria, los sujetos experimentales son sometidos a un aumento en la intensidad del estímulo aversivo, lo cual se conoce como sobrerreforzamiento; en la tarea de evitación inhibitoria, este tipo de entrenamiento implica un incremento en la intensidad del choque eléctrico administrado. Se ha reportado que el entrenamiento incrementado protege a la memoria ante tratamientos farmacológicos que normalmente producen amnesia, permitiendo la consolidación de la memoria. Sin embargo, no se sabe cuáles son los procesos que medían este efecto protector del sobrerreforzamiento; por ello, es importante conocer si en este fenómeno están involucrados posibles cambios en la densidad y morfología de las espinas dendríticas de las neuronas piramidales del CA1 del hipocampo dorsal de la rata. 22 4. HIPÓTESIS Con base en los antecedentes descritos, se proponen las siguientes hipótesis: 1) Se observará un aumento en la densidad de espinas dendríticas en el segmento distal de la dendrita apical de las neuronas piramidales del CA1 durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria, entrenada en condiciones de sobrerreforzamiento en comparación con el entrenamiento moderado. 2) Se observará un aumento en la densidad de espinas tipo delgada y hongo en el segmento distal de la dendrita apical de las neuronas piramidales del CA1 durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria, entrenada en condiciones de sobrerreforzamiento en comparación con el entrenamiento moderado. 3) Se observará un aumento en la densidad de espinas dendríticas en las dendritas basales de las neuronas piramidales del CA1 durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria, entrenada en condiciones de sobrerreforzamiento en comparación con el entrenamiento moderado. 4) Se observará un aumento en la densidad de espinas tipo delgada y hongo en las dendritas basales de las neuronas piramidales del CA1 durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria, entrenada en condiciones de sobrerreforzamiento en comparación con el entrenamiento moderado. 23 5. OBJETIVOS 5.1. Objetivos Generales 1) Cuantificar el número y el tipo de espinas dendríticas en las neuronas piramidales del CA1 del hipocampo dorsal durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria entrenada en condiciones de entrenamiento moderado y de sobrerreforzamiento. 5.2. Objetivos Particulares 1) Cuantificar la densidad de espinas dendríticas en los segmentos proximal, medial y distal de la dendrita apical de las neuronas piramidales del CA1 del hipocampo dorsal, durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria entrenada en condiciones moderadas y de sobrerreforzamiento. 2) Cuantificar la densidad de espinas tipo delgada, hongo, corta, ramificada y doble en los segmentos proximal, medial y distal de la dendrita apical de las neuronas piramidales del CA1 del hipocampo dorsal, durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria entrenada en condiciones moderadas y de sobrerreforzamiento. 3) Cuantificar la densidad de espinas dendríticas en los segmentos proximal y distal de las dendritas basales de las neuronas piramidales del CA1 del hipocampo dorsal, durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria entrenada en condiciones moderadas y de sobrerreforzamiento. 4) Cuantificar la densidad de espinas tipo delgada, hongo, corta, ramificada y doble en los segmentos proximal y distal de las dendritas basales de las neuronas piramidales del CA1 del hipocampo dorsal, durante la consolidación de la memoria de la tarea de evitación inhibitoria entrenada en condiciones moderadas y de sobrerreforzamiento. 24 6. MATERIAL Y METODOS 6.1. Sujetos Se utilizaron 60 ratas macho de la cepa Wistar con un peso de entre 250 y 350 g, criadas en condiciones óptimas de bioterio. Se alojaron en cajas individuales (46 x 24 x 20 cm3) con libre acceso a comida y agua, con un ciclo de luz-oscuridad de 12/12 h, iniciándose a las 7:00 h, siguiendo las normas internacionales sobre la utilización y cuidado de los animales de experimentación (Guidelines of the Institutional Animal Care and Use Committe Guidebook (NIH publication 80-23, Bethesda, MD, USA, 1996), así como las del Comité de Bioética del Instituto de Neurobiología de la UNAM. 6.2. Manipulación Las ratas fueron manipuladas durante tres díasconsecutivos previos a las pruebas conductuales, durante 3 a 5 min diarios, para habituar a los animales al manejo del experimentador. Esta habituación consistió en sacar a la rata de su jaula, colocarla sobre una toalla blanca y limpia y sujetarla, simulando el manejo del día de las pruebas conductuales. 6.3. Aparatos El procedimiento conductual se realizó en una cámara de evitación inhibitoria (EI) la cual consta de dos compartimentos del mismo tamaño (30 x 30 x 30 cm3 cada uno) separados por una puerta corrediza tipo guillotina (Figura 7). Uno de los compartimientos, denominado “de seguridad”, está iluminado por una lámpara de 10 W colocada en el centro de su tapa y tiene como piso una rejilla de barras de acero inoxidable. El otro compartimiento, denominado “de castigo”, no se encuentra iluminado y tiene paredes laterales de acero inoxidable que forman una “V” hacia el centro del piso, estando separadas por una distancia de 1.5 cm justo en la mitad del mismo. Las láminas del compartimento oscuro pueden ser electrificadas por un estimulador de pulsos cuadrados (Grass Instruments Co., modelo S48G) conectado en serie con una unidad de corriente constante (Grass Instruments Co., modelo CCU-1A). La administración de los estímulos, así como la medición de las latencias de entrada, de escape y de retención fueron realizadas automáticamente con la ayuda de una computadora. La cámara de evitación 25 inhibitoria se encuentra ubicada en un cuarto sonoamortiguado y oscuro, provisto de una fuente de ruido de fondo. Figura 7. Cámara de evitación inhibitoria (EI) (Modificado de Martínez et al., 2002). 6.4. Procedimiento conductual 6.4.1. Entrenamiento El entrenamiento consiste en colocar a la rata dentro del compartimiento de seguridad y 10 s después se abre la puerta tipo guillotina y se registra el tiempo que la rata tarda en pasar, con las cuatro patas, al compartimiento de castigo (latencia de entrada). Cuando la rata pasa al compartimiento de castigo la puerta se cierra y se administra un choque eléctrico (1.0 o 3.0 mA) durante 10 s; transcurridos 5 s después del inicio del choque eléctrico la puerta se abre, dando la oportunidad de que la rata escape al compartimiento de seguridad y se registra el tiempo que tarda en salir del compartimiento de castigo al de seguridad (latencia de escape), donde la rata permanece por 30 s antes de ser regresada a su caja-habitación. Los pisos y paredes de ambos compartimientos se limpiaron con alcohol al 10% y agua corriente antes y después de que cada rata fuera introducida en la cámara. 26 6.4.2. Prueba de retención La medición de la retención se realizó a las 6 h después del entrenamiento, para ver los cambios estructurales que ocurren a nivel de las espinas dendríticas durante el proceso de consolidación (O´malley et al., 1998). Las condiciones de la sesión de prueba fueron idénticas a las descritas en la sesión de entrenamiento, con la excepción de que no se administró el choque eléctrico. Se registró la latencia de retención, que es el tiempo que la rata tarda en pasar del compartimiento de seguridad al de castigo. Si la rata no cruza en 600 s al compartimiento de castigo se dio por terminada la sesión y se le asignó una latencia de retención de 600 s (Figura 8). Figura 8. Esquema del procedimiento conductual. (A) Entrenamiento, se coloca a la rata en el compartimiento de seguridad, se abre la compuerta tipo guillotina y se registra la latencia de entrada al compartimiento de castigo, una vez que la rata entra al compartimiento de castigo se cierra la compuerta y se administra una descarga eléctrica durante 10 s; a los 5 s se abre la compuerta permitiendo al animal escapar del choque eléctrico registrándose la latencia de escape. (B) En la prueba de retención, la rata es de nuevo expuesta al compartimiento de seguridad, a los 10 s se abre la compuerta y se registra el tiempo que tarda en pasar al compartimiento de castigo (latencia de retención). 6.5. Diseño experimental Con la finalidad de evaluar si el entrenamiento incrementado produce un aumento en la densidad de espinas dendríticas de las neuronas piramidales del área del CA1 del hipocampo dorsal, como consecuencia del proceso de consolidación de la memoria, se 27 entrenaron grupos independientes de ratas en la tarea de evitación inhibitoria con una intensidad alta (3.0 mA) o una intensidad baja (1.0 mA) de choque eléctrico, y la prueba de retención se realizó a las 6 h después del entrenamiento, tiempo en el cual se ha reportado que se lleva a cabo el proceso de consolidación de la memoria (O´malley et al., 1998). Los parámetros de estimulación fueron establecidos con base a la curva de extinción reportada por Garín-Aguilar et al, (2012). Se estudiaron los siguientes grupos de experimentación (Tabla 1): 1) Intacto (INT). Ratas que se mantuvieron en el bioterio hasta el momento del sacrificio. 2) Solo choque (Ch). Ratas que se colocaron en el compartimiento de castigo y que recibieron un choque eléctrico en las patas de una intensidad de 3.0 mA, con una duración igual a la mediana de la latencia de escape de los grupos entrenados en la tarea de EI. Inmediatamente después se sacaron del compartimiento y se regresaron a su caja-habitación, se perfundieron 6 h después del choque. 3) Contexto (0.0 mA). Ratas entrenadas en la tarea de EI pero que no recibieron un choque eléctrico, las cuales fueron probadas 6 h después del entrenamiento y sacrificadas inmediatamente después. 4) Entrenamiento moderado (1.0 mA). Ratas que fueron entrenadas en la tarea de EI con una intensidad de 1.0 mA, 6 h después del entrenamiento realizaron la prueba de retención e inmediatamente después sacrificadas. 5) Sobrerreforzamiento (3.0 mA). Ratas que fueron entrenadas en la tarea de EI con una intensidad de 3.0 mA, 6 h después del entrenamiento realizaron la prueba de retención e inmediatamente después sacrificadas. 28 Tabla 1. Diseño experimental. En la figura 9 se muestran las fases del experimento. Los animales fueron manipulados por tres días consecutivos, al siguiente día se realizó el entrenamiento de EI, y la prueba de retención se realizó 6 h después. Terminado el experimento los animales fueron perfundidos para realizar el análisis histológico. Figura 9. Línea temporal del manejo de los grupos experimentales. Animales entrenados en la tarea de EI para observar el proceso de consolidación de la memoria (6 h). 6.6. Estudio morfológico Para el estudio morfológico se seleccionaron cuatro animales de los grupos entrenados en la tarea de EI con un choque eléctrico que mostraron latencias de retención superiores a 500 s; asimismo para los grupos controles se seleccionaron al azar cuatro animales de cada grupo. Inmediatamente terminado el procedimiento correspondiente, todos los sujetos fueron anestesiados con una dosis letal de pentobarbital sódico, inyectado por vía intraperitoneal y se prefundieron con solución lavadora (buffer de fosfatos 0.1 M, pH 7.4 + cloruro de sodio al 0.9% + heparina al 1%), seguida de una solución fijadora (buffer 29 de fosfatos 0.1 M, pH 7.4 + formaldehído al 10%). Las ratas se decapitaron y el cráneo fue envuelto en papel aluminio donde permanecieron 24 h bajo una campana de extracción a temperatura ambiente; concluido este tiempo se extrajeron los encéfalos y se realizaron bloques coronales de 4 mm de espesor conteniendo todo el hipocampo dorsal (Paxinos & Watson, 2007), los cuales fueron procesados con la técnica de Golgi rápido modificado por Díaz Cintra et al. (1981) para realizar el análisis morfológico de las espinas dendríticas apicales de las neuronas piramidales del área CA1 del hipocampo. 6.6.1. Técnica de impregnación argéntica (Golgi rápido) Los bloques de tejido se colocaron en una solución de dicromato de potasio al 4.5% y ácidoósmico al 1% en una proporción de 8:2 respectivamente. Los bloques se dejaron en la oscuridad, en un lugar templado, por un periodo de 12 días en agitación constante. Pasado este tiempo, se sacaron quitándoles el exceso de solución y se colocaron en una segunda solución de nitrato de plata al 0.75% cambiando la solución hasta no haber precipitaciones, los bloques permanecieron por un tiempo de 36-48 h en la segunda solución. Concluido el tiempo, los bloques se lavaron en alcohol al 50°, cepillando la superficie cuidadosamente con la ayuda de un pincel, y se deshidrataron en alcoholes graduales de 70°, 80°, 96°, 100°, OH-éter por 2 tiempos de 15 min cada uno. Los bloques se colocaron en nitrocelulosa al 10%, 20% y 30% cada una por un periodo de 24 h y se incluyeron en nitrocelulosa concentrada en vapores de cloroformo. Una vez polimeralizada la nitrocelulosa se montaron en una base para ser cortados con un micrótomo de deslizamiento, obteniendo cortes de 100 µm y se colectaron en alcohol 70°. Los cortes se deshidrataron en concentraciones crecientes de alcoholes de 80°, 96° e isopropanol por dos tiempos de 15 min cada uno, posterior a los alcoholes se colocaron en terpineol por alrededor de 15 min y en xilol durante 5 min para su aclaramiento; por último los cortes se montaron con el medio de montaje histológico permount. 30 6.6.2. Análisis morfológico La densidad de espinas dendríticas fue cuantificada, así como los tipos de espinas (delgadas, hongo, cortas, ramificadas y dobles) de acuerdo a su densidad proporcional. Es decir, se calculó el número de cada tipo de espina y se dividió entre el número total de espinas en cada segmento estudiado. Se tomaron 6 neuronas piramidales, bien impregnadas, del área del CA1 del hipocampo dorsal en cada rata y se contaron las espinas dendríticas en 30 µm lineales de tres ramificaciones dendríticas secundarias de la dendrita apical, la cual se dividió en tres segmentos: proximal, medial y distal, debido a que la dendrita apical presenta diferentes aferencias, las cuales provienen de las fibras de la vía comisural del hipocampo contralateral al segmento proximal, las colaterales de Schaffer al segmento medial y las fibras de la vía perforante provenientes de la capa III y V de la corteza entorrinal hacia el segmento distal (Amaral & Witter, 1989; Yeckel & Berger, 1990; Dudman et al., 2007). En el caso de las dendritas basales se tomaron 4 neuronas piramidales del área del CA1 dorsal y se contaron las espinas dendríticas de cuatro ramificaciones dendríticas secundarias en 30 µm lineales para cada una de las ramificaciones; las dendritas basales se dividieron en dos segmentos: proximal y distal, debido a las aferencias provenientes de las fibras comisurales intrahipocámpicas y las colaterales de Schaffer, respectivamente (Witter et al., 1989; Amaral & Lavenex, 2007). Se analizaron las ramas secundarias y no el eje dendrítico principal, debido a que el segmento proximal de la dendrita apical primaria carece de espinas dendríticas en los primeros 100 µm del soma (Megías et al., 2001; Garín-Aguilar et al., 2012). 6.7. Análisis estadístico Para el análisis de los resultados conductuales se utilizó estadística no paramétrica porque los datos en muchos casos no presentaron una distribución normal, debido al corte arbitrario de 600 s que se dio en la prueba de retención; por lo tanto, las latencias de entrada, escape y retención de los grupos fueron analizados de manera independiente con la prueba de análisis de varianza de Kruskal-Wallis; cuando se encontraron 31 diferencias significativas se aplicó la prueba de U Mann-Whitney, la cual es una prueba que se utiliza para hacer comparaciones entre pares de grupos. Para el análisis de la densidad de espinas en cada uno de los segmentos, y de la densidad proporcional de los distintos tipos de espinas dendríticas para cada uno de los segmentos se realizó un análisis de varianza de una vía (ANOVA), y cuando se encontraron diferencias significativas (p < 0.05) se realizó una prueba post hoc de Fisher. 32 7. RESULTADOS 7.1. Procedimiento conductual Se realizó la comparación de las latencias de entrenamiento, escape y retención de la tarea de EI entre los diferentes grupos entrenados (0.0 mA, 1.0 mA y 3.0 mA), en los que se realizó la prueba de retención 6 h posteriores al entrenamiento, habiéndose perfundido los animales inmediatamente después de terminada la prueba de retención. Para la latencia de entrada la prueba de Kruskal-Wallis no mostró diferencias significativas entre los grupos (H (2) = 1.162, p = 0.5592) (Figura 10). Figura 10. Latencias de entrada. Gráfica en la que se muestran los valores de las medianas con sus rangos intercuartilares de los grupos; n = 10 animales por grupo. Para la latencia de escape se encontraron diferencias significativas entre los grupos, producidas por las diferentes intensidades de choque (H (2) = 19.99, p < 0.0001). La comparación entre pares de grupos demostró diferencias significativas entre el grupo 0.0 mA contra el grupo 1.0 mA (p = 0.0002), así como entre el de 0.0 mA y el grupo de 3.0 mA (p = 0.0002), mientras que no se encontraron diferencias significativas entre el grupo de 1.0 mA y el de 3.0 mA (Figura 11). 33 Figura 11. Latencia de escape. Gráfica en la que se muestran los valores de las medianas con sus rangos intercuartilares de los grupos entrenados con 0.0, 1.0 y 3.0 mA. El asterisco (*) indica diferencias significativas (p < 0.005) con respecto al grupo 0.0 mA que no recibió un choque eléctrico; n = 10 animales por grupo. La latencia de retención a las 6 h después del entrenamiento (Figura 12) muestra que hubo diferencias significativas entre grupos (H (2) = 24.03, p < 0.0001). La prueba de U de Mann Whitney reveló que el grupo que recibió el choque eléctrico bajo (1.0 mA) y el que recibió el choque eléctrico alto (3.0 mA) difirieron del grupo que no recibió choque (0.0 mA) (p < 0.0001 y p < 0.0001, respectivamente). 34 Figura 12. Latencia de retención. Gráfica en la que se muestran los valores de las medianas con sus rangos intercuartilares de los grupos que recibieron diferentes intensidades de choque eléctrico. El asterisco (*) indica diferencias significativas (p < 0.0001) con respecto al grupo 0.0 mA que no recibió choque eléctrico; n = 10 animales por grupo. 7.2. Estudio morfológico Se realizó la comparación de la densidad total de espinas dendríticas de los diferentes grupos controles y entrenados en la tarea de EI a las 6 h después del entrenamiento, tiempo en el que se propone se da la consolidación de la memoria y donde ocurren los cambios moleculares, bioquímicos y estructurales correspondientes (Squire & Davis, 1981; O´Malley et al., 1998). Para determinar la densidad se contó el número de espinas a lo largo de 30 μm de una dendrita secundaria en los diferentes segmentos (proximal, medial y distal) de la dendrita apical, y de las dendritas basales (proximal y distal) de las neuronas del área CA1 del hipocampo dorsal (ver Figuras 13 y 14). Figura 13. Hipocampo de la rata. a) Fotomicrografía de un corte coronal del hipocampo dorsal de la rata, aumento 1X; la barra indica una longitud de 1000 μm. b) Aumento del hipocampo dorsal de la rata donde se observa el cuerno de Ammón, (CA1, CA3) y el giro dentado (GD). Aumento 4X; la barra indica una longitud de 200 μm. 35 Figura 14. Neurona piramidal del área CA1 del hipocampo dorsal de la rata. a) Fotomicrografía de una neurona piramidal de CA1 con su árbol dendrítico basal y apical tomada con un objetivo de 20X. b) Dibujo realizado con la cámara lúcida con un objetivo 20X y en el que se muestra la dendrita apical y las dendritas basales divididas en segmentos: proximal (P), medial (M) y distal (D); la barra indica una longitud de 100 μm. c) Fotomicrografía
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