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resumen Fundamentos de Psicobiología: tema 8-14 DESARROLLO DEL SISTEMA NERVIOSO Fundamentos de Psicobiología (62011014) 85 0 1 TEMA 8: DESARROLLO DEL SISTEMA NERVIOSO El desarrollo del SN es un proceso muy complejo que se inicia en las primeras semanas de la vida embrionaria, cuando algunas células del embrión quedan determinadas para formar el tejido nervioso. El SN, al igual que la piel, se desarrolla a partir del ectodermo, que es una de las tres capas embrionarias al inicio de la gestación. El proceso de desarrollo se lleva a cabo en diversas fases durante las que el SN es una estructura extremadamente dinámica, con una gran c Cada una de las fases del proceso apacidad de cambio. requiere una gran precisión y de su correcta ejecución depende la organización y el funcionamiento posterior del SN. MARCANDO EL TERRITORIO DEL SISTEMA NERVIOSO: NEURULACIÓN DEL EMBRIÓN Morfogénesis del individuo: proceso general de la adquisición de la forma y características generales de la especie. Este proceso comienza en la fecundación con la formación del , que cigoto da paso al desarrollo embrionario- . fetal (Figura 8.1) La morfogénesis del SN comienza en un periodo muy temprano de la vida (3ª semana embrionaria). Anterior a esto el embrión es un disco formado por 2 capas de células (epiblasto e hipoblasto) (Figura 8.1) Gastrulación: Es una fase embrionaria que se inicia al comienzo de la 3ª semana en la que se forman las capas embrionarias de las que se desarrollarán todos los órganos corporales, incluido el SN. Este proceso se inicia al producirse una invaginación (el nódulo primitivo y la línea primitiva) en la parte dorsal del disco embrionario dando paso a una gran movilización de células hacia el interior del disco. Consecuencia de la movilización Se forma una capa embrionaria intermedia por lo que el disco embrionario pasa a estar formado por 3 capas (Figura 8.1): - Endodermo: es la capa más interna del disco embrionario y de sus células se originan el sistema digestivo, respiratorio y algunas glándulas. - Mesodermo: es la capa intermedia y de ella derivan los tejidos cartilaginoso, óseo y muscular, la dermis de la piel, el corazón, los vasos y las células sanguíneas, los riñones y el sistema reproductor. - Ectodermo: es la capa más externa del disco embrionario y de él derivan la epidermis de la piel y el SN Entre estas 3 capas embrionarias se establece una gran interacción y a partir de ellas comienzan a desarrollarse todas las estructuras del organismo. 85 0 2 Figura 8.1 Neurulación del embrión: proceso mediante el cual el SN se origina del ectodermo. Consiste en que una parte del ectodermo queda determinada como tejido neural y se forman las primeras estructuras neurales embrionarias. Este proceso tiene 2 pasos consecutivos: - La inducción neural, en este primer paso se marca el territorio neural del ectodermo. - Se forman las estructuras neurales iniciales ( e las tubo neural y cresta neural) a partir d cuales se desarrollarán todas las que configuran el SN. 85 0 3 El Comienzo es la Inducción Neural del Ectodermo Inducción Neural consiste en que una parte del ectodermo queda determinada como tejido del que se originará el SN, es decir, como neuroectodermo. Este proceso tiene lugar cuando en el mesodermo se forma la notocorda prolongación precursora de la columna vertebral que define el eje céfalo , la -caudal del embrión (Figura 8.1) cual establece para el con el ectodermo una intensa interacción fundamental proceso de la inducción neural. Los datos apuntan a que, la parte del mesodermo que contiene la notocorda envía unas señales inductoras al ectodermo desencadenando su diferenciación como neuroectodermo (modelo más sólido actualmente). Investigaciones de Spemann, propone que: En el desarrollo normal de embrión el mesodermo va l a provocar la inducción neural de una parte del ectodermo señales inductoras y el resto mediante del ectodermo, al no recibir estas señales , se desarrolla como tejido epidér mico (piel) y no como SN. Pero, en los últimos 20 años se ha perfilado un modelo de acción de las señales inductoras neurales que es algo más complejo que el propuesto por Spemann. Se considera que: La primera acción del mesodermo está dirigida por unas (las proteínas moléculas morfogenéticas óseas) que promueven la diferenciación del ectodermo en tejido epidérmico, al mismo tiempo que inhiben activamente su determinación neural. Esta inhibición hace que para que se produzca la inducción neural deban actu inductoras que ar (ahora sí) las señales neutralizarán las proteínas indicadas promoviendo así la determinación neural del ectodermo. Otra explicación alternativa: El destino del ectodermo, por defecto, es desarrollarse como neuroectodermo, y el hecho de q n señales inhibitorias que ue esto no sea así se debe a que actúa impiden la neurulación de una parte del ectodermo y lo convierten en tejido epidérmico. De cualquier modo, lo esencial es que con la inducción neural se establecen los límites del , neuroectodermo. Seguidamente, en este proceso de interacción, el mesodermo promueve la proliferación (el nacimiento de las células por mitosis sucesivas) de las células del neuroectodermo formándose una placa neural más gruesa en la superficie dorsal media del disco embrionario (18 días embrionarios – 18 . E) (Figura 8.4) , sus células han quedado . Esta placa es la precursora del SN determinadas para desarrollarse como células nerviosas y formarán tejido nervioso. Además, en esta primera fase de la neurulación se produce la (identidad a las regionalización distintas regiones, quedan determinadas para formar un determinado tejido nervioso) de la placa neural. Tras esta regionalización la placa sigue su proceso de cambio. 85 0 4 Figura 8.4 - Tubo neural La Placa Neural forma un Tubo y una Cresta Neurales 2º paso de la neurulación consiste en transformar la placa neural en 2 estructuras: - Cresta neural Este proceso comienza cuando la placa neural se pliega sobre sí misma y aparece en la línea media un o por 2 pliegues (Figura 8.5).surco neural flanquead Estos pliegues neurales se fusionan en la zona medial de la placa y van cerrando el surco formando un tubo neural hueco. Las aperturas transitorias (neuroporos rostral y caudal) al final de la 4ta semana desaparecen porque el tubo neural ha terminado de fusionarse completamente. El cierre de los neuroporos es una fase muy importante el desarrollo del embrión porque si no se realiza correctamente se producen una gran variedad de malformaciones congénitas. - Fallo en el cierre del neuropopro caudal - : produce malformaciones en la médula espinal, denominadas malformaciones de espina bífica Fallo en el cierre del neuroporo rostral Las alteraciones en el cierre del tubo neural pueden ser debidas a mutaciones genéticas o a la intervención de factores ambientales que alteran el proceso de inducción y/o fusión del tubo. Al cerrarse el tubo neural, la parte externa de cada pliegue neural se separa del tubo y del ectodermo adyacente. Estas dos zonas escindidas de los pliegues neurales se fusionan y forman una estructura que se denomina (Figura 8.5cresta neural C). La cresta se sitúa entre el tubo neural y el ectodermo, ocupando una posición, prime ro dorsal y después lateral al tubo neural. : produce malformaciones en el encéfalo (anencefalia) y en el cráneo, que queda escindido. 85 0 5 Figura 8.5 SE ESTABLECEN LOS LÍMITES: FORMACIÓN DE LAS DIVISIONES DEL SISTEMA NERVIOSO En el curso del desarrollo del tubo neural se van a originar todas las neuronas y las células gliales que formarán el SNC, mientras que en la cresta neural se originarán, además de otras, las células del SNP. Este proceso se lleva a cabo por lasucesión de una serie de fases, denominadas fases del desarrollo. Desarrollo del Tubo Neural: se forman las vesículas encefálicas Las divisiones del SNC comienzan a esbozarse en un periodo muy temprano del desarrollo. A partir de que se cierra el neuroporo rostral se inicia un periodo de transformación rápida del tubo neural en el que se esbozan la forma y los límites de las diferentes divisiones del SNC. 85 0 6 CUARTA SEMANA QUINTA SEMANA SIGUIENTES SEMANAS Porsencéfalo (anterior) Telencéfalo Hemisferios cerebrales Diencéfalo Tálamo, hipotálamo, subtálamo y epitálamo. Mesencéfalo (medio) Mesencéfalo Mesencéfalo Romboencéfalo (forma de rombo) Metencéfalo Puente y Cerebelo Mielencéfalo Bulbo El proces l en la región cefálicao de transformación comienza con la dilatación del tubo neura . Figura 8.6 Al final de la 4ª semana - En el prosencéfalo distinguen ya 2 abultamientos laterales que son las se vesículas ópticas. el tubo neural se ha empezado a curvar por las flexiones mesencefálica y cervical y se aprecian 3 vesículas en esta región , el el prosencéfalo mesencéfalo y el rombencéfalo. Lámina terminal: limite anterior del tubo neural en este periodo. - En el rombencéfalo se extiende la zona caudal del tubo neural (la futura medula espinal). En la 5ª semana - E prosencéfalol se divide en 2 vesículas: ••••• Telencéfalo (anterior) se esbozan los hemisferios cerebrales al formarse 2 vesículas laterales que sobrepasan la lámina terminal. ••••• Diencéfalo (entre) se denomina así porque está situada entre el telencéfalo y el mesencéfalo. - En esta semana el permanece como una única vesícula. mesencéfalo 85 0 7 - En el rombencéfalo se producen varias trasformaciones: ••••• se establece el límite con el mesencéfalo al formarse el istmo ••••• el rombencéfalo se divide en 2 vesículas 1. Metencéfalo (más allá de): se forma la flexión pontina que plegará el metencéfalo hacia atrás contra el mielencéfalo 2. Mielencéfalo (médula) El interior hueco del tubo neural a lo largo de las vesículas cefálicas y de la zona caudal (médula espinal) configura las cavidades del futuro sistema ventricular (ventrículos encefálicos y canal de la médula espinal) (Figura 8.6) El tubo neural se segmenta: factores que establecen los límites En las primeras semanas del desarrollo embrionario humano, el tubo neural presenta un patrón característico de segmentación - Las vesículas anteriores están divididas en segmentos llamados neurómeros, que desaparecerán en el desarrollo posterior. : - En el romboencéfalo se delimitan una serie de segmentos abultados llamados rombómeros (Figura 8.7) son como unidades repetidas pero con identidad propia, marcados por el patrón regular de entradas y salidas de los nervios craneales. - Esta segmentación también es evidente en la zona caudal del tubo neural en la que comienzan a formarse los ganglios espinales. Figura 8.7 Esta segmentación, en el eje antero-posterior es continuación del proceso de regionalización y está dirigida por la expresión de genes homeóticos que progresivamente van marcando la identidad de las distintas regiones del encéfalo embironario. Estos genes, denominados genes homeobox o genes Hox, se expresan en el tubo neural en el mismo orden lineal en el que están en los cromosomas y cuyo patrón espacial de expresión establece que cada rombómeros es un compartimento repetido, pero separado de los adyacentes y con identidad propia. La expresión de los genes Hox en los rombómeros está relacionada con la diferenciación de las neuronas reticulares y las neuronas de los núcleos sensoriales y motores de los nervios craneales. Esta expresión, no solo han de seguir un patrón espacial adecuado, sino también un adecuado ritmo temporal; porque si se producen alteraciones espacio-temporales aparecen malformaciones en el desarrollo del SN. 85 0 8 Se establece el Patrón Dorso Ventral en el tubo neural: regionalización funcional- Se establece en gran parte de la extensión del tubo neural un patrón dorso-ventral, que diferencia y separa las células que llevarán a cabo funciones sensoriales de las que intervendrán en la coordinación motora. Este patrón determina que las células que van a desempeñar funciones motoras ocupen una posición ventral en el tubo neural y que las que se ocuparán de funciones sensoriales se ubiquen en posición dorsal. Figura 8.8 El patrón dorso-ventral también se establece por mecanismos de inducción. (Figura 8.8) las señales inductoras dorsalizantes provienen del ectodermo dorsal a la cresta neural e inducen la diferenciación de la placa alar (techo) de las células que intervendrán en la coordinación sensorial y de la cresta neural, mientras que las señales inductoras ventralizantes provienen de la notocorda e inducen la diferenciación de la placa basal (desde el diencéfalo hasta la médula espinal) de las células que intervendrán en la coordinación motora. Surco limitante: separa las placas alar y basal. Las 5 vesículas segmentadas originan las divisiones y estructuras del SNC A las 5 semanas un embrión humano tiene 5 vesículas encefálicas y una prolongación caudal del tubo neural, que se han segmentado y han adquirido una regionalización funcional general (dorsal: sensorial – ventral: motora) En las próximas semanas del desa , las células de la pared de estas vesículas y de la zona rrollo caudal del tubo neural llevarán a cabo un acelerado proceso de división y la pared se irá engrosando. Se produce un crecimiento diferencial (no homogéneo) en las diferentes zonas, lo que provocará la aparición secuencial de las diversas estructuras que forman las distintas divisiones del SNC maduro. El engrosamiento de la pared de las distintas vesículas provocará la formación de las divisiones del encéfalo y sus dist intas estructuras. 85 0 9 Figura 8.10 - En el telencéfalo de los hemisferios cerebrales primitivos se formarán la corteza cerebral y las estructuras subcorticales. - En el diencéfalo se formarán sus 4 componentes tálamo, hipotálamo, subtálamo y epi tálamo. - En el mesencéfalo se formarán los colículos. - El posterior desarrollo de la zona dorsal del mesencéfalo con influencia del mesencéfalo adyacente provocará el desarrollo del cerebelo. - En la zona ventral del mesencéfalo se desarrollarán las estructuras del puente. - El mielencéfalo formará el bulbo raquídeo. - El engrosamiento de la zona caudal del tubo neural provocará la formación de la médula espinal. Desarrollo de la Cresta Neural: formación del SNP La cresta neural, que se extiende desde la vesícula diencefálica hasta el extremo caudal del tubo neural, es la que origina el SNP. Al comienzo de su desarrollo se sitúa dorsal al tubo neural y después se parte en 2 mitades que se colocan a cada lado del tubo en interacción con el mesodermo subyacente. El mesodermo que bordea el tubo neural está segmentado en bloques llamados somitas unidades precursoras de la musculatura axial y del esqueleto. A partir de la 4ª-5ª semana las células de la cresta neural, agrupadas junto a los somitas a ambos lados de la región caudal del tubo neural, formarán los ganglios espinales que se localizarán a intervalos regulares (marcados por los somitas) a lo largo de la región caudal del tubo neural. Esta organización segmentada (1º somitas – 2º ganglios espinales) establece la organización segmentada madura de la médula espinal. Hacia la 6ª semana del desarrollo se producirá la unión entre estos ganglios periféricos derivados de la cresta neural y la médula espinal, comenzando a adquirir su organización madura característica. 85 0 10 Figura 8.11 Las células de los ganglios espinales, situadas en el margendorso-lateral de la médula espinal, empiezan a extender 2 prolongaciones: - una hacia la periferia (centrífuga). Las prolongaciones centrífugas se unen a los axones en crecimiento de las células del asta ventral de la médula espinal que se dirigen hacia los somitas y juntos forman los nervios espinales. - otra central (centrípeta) que se dirige hacia el asta dorsal de la médula espinal. Las prolongaciones centrípetas forman las raíces dorsales de los nervios espinales. La formación de los ganglios craneales no parece depender de la interacción con el mesodermo, pero al igual que la de los ganglios del SN autónomo, siguen procesos similares a los que se producen en los ganglios espinales. Resumen: La descripción de la morfogénesis de las 2 partes del SN explica en términos embriológicos que el SNC y el SNP son 2 sistemas separados, ya que cada uno se origina de una zona distinta de la placa neural, pero también que su separación anatómica no es total y que mantienen una constante interacción funcional. FASES DEL DESARROLLO La morfogénesis se lleva a cabo por la sucesión de una serie de fases que requieren una gran precisión. Estas fases son secuenciales para cada célula, pero coexisten en el SN en desarrollo si se comparan células de diversas estructuras. Proliferación celular Es la fase en la que nacen las células (neuronas y células gliales) que componen el SN. Neuroepitelio: delgada capa de tejido que forma la pared del tubo neural en la 4ª semana del desarrollo. Está formado por células germinales embrionarias llamadas células madre del SN ¿Dónde están las Madres? Zonas Proliferativas 85 0 11 (porque sólo originarán que a partir del cierre del neuroporo rostral del tubo células nerviosas), comienzan la fase de proliferación celular (gran actividad mitótica). Figura 8.12 Durante la mitosis las células madre se sitúan en la zona ventricular mientras que en el periodo intermitótico ocupan la zona marginal . Esta distribución aporta al neuroepitelio una apariencia de estar formado por capas (pseudoestratificada). De las divisiones rápidas de las células madre nacen e también se dividen células progenitoras qu con gran rapidez. Estas divisiones se producen en la zona ventricular del neuroepitelio. La zona marginal está formada por células en periodo de interfase. (Figura 8.13) Las divisiones mitóticas de las células progenitoras originan en principio otras células progenitoras y, tras varias divisiones, éstas realizan una última división que produce neuronas inmaduras (no se dividen más) o (si pueden dividirse durante toda la vida). glioblastos Muchos de los glioblastos que se originan en la zona ventricular se diferencian en un tipo de glía llamada es característica de glía radial que esta zona durante el periodo embrionario. Gran parte de la proliferación celular se produce en la zona ventricular de las diferentes regiones del tubo neural: - Zona ventricular las células se dividen sucesivamente hasta que han proliferado una gran cantidad de las neuronas inmaduras que formarán las diferentes estructuras del SNC y muchos glioblastos (esto es lo visto hasta ahora). 85 0 12 Pero, hay otras zonas proliferativas: - Zona Subventricular Segunda zona proliferativa en el neuroepitelio del telencéfalo - Capa granular externa . Se forma sobre la zona ventricular con células progenitoras y glioblastos que se desplazan a ella en un n ella nacen nperiodo temprano del desarrollo y e euronas inmaduras de pequeño y mediano tamaño y la gran mayoría de las células gliales. Esta zona es además fundamental porque en ella nacen neuronas en la edad adulta. Segunda zona proliferativa del cerebelo En el proceso de se originarán los distintos tipos de neuronas proliferación del tubo neural y células gliales que forman la sustancia gris y la sustancia blanca del SNC. En el proceso de proliferación de la cresta neural se produce un proceso mitótico acelerado por el que se originan muchas células del SNP (todas las neuronas y la glía de los ganglios craneales y espinales, las células de Schwann y las células de los ganglios del SN autónomo). . Se forma en la zona externa del neuroepitelio del cerebelo. En ella proliferan las neuronas inmaduras que se diferenciarán en células granulares y el resto de interneuronas del cerebelo. (La primera zona proliferativa del cerebelo es la típica zona ventricular del neuroepitelio del techo del IV ventrículo en la que proliferan las neuronas que se diferenciarán en células de Purkinje, células de Golgi y células de los núcleos profundos) ¿Qué será: Neurona Inmadura o Glioblasto? Distintas posibilidades respecto al origen de las neuronas inmaduras y los glioblastos. A. Las células progenitoras son pluripotenciales y generan indistintamente neuronas inmaduras y glioblastos. B. Sólo hay un tipo de cálulas progenitoras, que primero origina neuronas inmaduras, y después glioblastos. C. Actualmente se considera que existen dos tipos de células progenitoras, uno que origina las neuronas inmaduras y otro del que derivan los glioblastos, o sea, que la determinación proviene ya de las células progenitoras. - , e : Neurogénesis postnatal. Ejemplo n nuestra especie las células granulares del cerebelo, hasta el séptimo mes de vida postnatal. Tiempo de Nacimientos: Neurogénesis Neurogénesis: nacimiento de las neuronas. Ocurre con la última división de las células progenitoras. Un aspecto importante es que la neurogénesis no ocurre simultáneamente en las distintas zonas del tubo neural de modo que cada una tiene su propio periodo de neurogénesis. La mayor parte de la neurogénesis se produce en el periodo prenatal, pero hay excepciones: 85 0 13 En cualquier región del tubo neural nacen antes las neuronas de proyección que las interneuronas (neuronas de circuitos locales). Como cosecuencia de esta actividad proliferativa, la pared del tubo neural se irá engrosando y se formarán secuencialmente las distintas estructuras que componen el SNC. Viajando a Casa: la Migración Celular Las neuronas inmaduras se desplazan desde la zona en la que han nacido hasta su zona de destino. Al iniciar esta fase de migración las neuronas se sitúan entre la zona ventricular y la zona marginal del neuroepitelio y forman la zona intermedia o capa del manto, su ubicación en esta zona es transitoria porque prosiguen su desplazamiento hasta alcanzar su destino definitivo. - Función de la glía radial en la migración neuronal es fundamental ya que sirven de soporte mecánico a las neuronas inmaduras para su desplazamiento a través del neuroepitelio. ¿Qué tren tomar?: Mecanismos de Migración en el Tubo y Cresta Neurales En el TUBO NEURAL la mayoría de las neuronas inmaduras migran guiadas por las células de glía radial que nacen en la zona ventricular al mismo tiempo que lo hacen las neuronas inmaduras. Las neuronas en migración se desplazan por las prolongaciones gliales con un movimiento ameboide. Este mecanismo de migración, que conlleva la interacción entre las neuronas y la glía radial, está controlado por moléculas de la membrana celular. - Las moléculas de adhesión celular neurona-glía (MAC-Ng): ••••• Realizan el reconocimiento de las prolongaciones de la glía radial para iniciar la migración, y ••••• Controlan la adhesividad de las neuronas migratorias a las mismas para permitir el desplazamiento de la neuronas. Una vez terminada la migración, las c dquieren otras funciones. élulas de la glía radial a El mecanismo de migración guiada desde la zona ventricular por la glía radial se considera universal para todas las células del SNC en desarrollo. 85 0 14 En la s migratorias se establecen en las capascortezacerebral, las neurona siguiendo un patrón de dentro hacia afuera en relación con la fecha de su nacimiento, con una excepción: en la capa I, aunque es la más superficial, se instalan las primeras neuronas que nacen en el neuroepitelio telencefálico. Todas las neuronas de la placa cortical ascienden por las capas formadas antes, hasta alcanzar la capa I, y luego descienden hasta ocupar su capa. En la recordar que hay corteza del cerebelo hay 2 patrones de migración ( 2 zonas proliferativas): - Las células que proliferan en la zona ventricular siguen la secuencia habitual de migración a través de la zona intermedia hasta situarse en su capa. - Las células granulares del cerebelo que proliferan en la capa granular externa,, siguen la secuencia inversa, éstas migran guiadas por la glía radial desde la capa granular externa hasta alcanzar la localización en su capa. Controversia ¿dónde finalizan su migración y establecen su destino las neuronas?: - Teoría preformacionista considera que el destino de las células está ya preestablecido antes de iniciar su migración - Teoría epigenética (opuesta) la posición que toma una neurona al terminar su migración puede estar determinada por la interacción que establece con el entorno al que llega, con las células previamente establecidas. Sin embargo, hay acuerdo en que terminan su migración cuando se altera la adhesividad de las células por cambios ón de las MAC, y por la participación de las mol en la activaci éculas de la matriz extracelular. En la CRESTA NEURAL las células siguen un mecanismo diferente de migración ya que llegan a su zona de destino ayudadas por . moléculas de la matriz extracelular El inicio de la migración de las células de la cresta neural lo determina la maduración de la matriz extracelular que la bordea. Estas células migran guiadas por las vías que establecen las moléculas de esta matriz y su destino depende totalmente de la ruta que ésta les marca. Hay 2 vías de migración de las células de la cresta neural: - Vía dorsolateral las de la región craneal del embrión migran a través de una vía lateral bajo la superficie del ectodermo y la matriz extracelular que las guía determina que se diferencien en células no neurales. - Vía ventromedial las de la región del tronco lo hacen por una vía central que discurre entre el tubo neural y los somitas, y la matriz extracelular que las guía determina que se diferencien las distintas células del SNP y las células de la médula suprarrenal. Durante la migración celular, en la superficie de la membrana de las células migratorias se activan receptores para las moléculas de adhesión celular os cambios que se producen en é; l stos y en los componentes de la matriz extracelular élulas se adhieren con más fuerza entre , determinan si las c sí o con las sustancias de la matriz extracelular, y si terminan o no la migración. 85 0 15 Cada población es distinta: formación de las vías de conexiónla diferenciación neuronal y Cuando la neurona termina su migración comienza a madurar. La maduración incluye su diferenciación y la fromación de las vías de conexión. La diferenciación neuronal En esta fase la neurona adquiere las características morfológicas y fisiológicas de la neurona madura (adulta). La diferenciación morfológica básica de una neurona está programada antes de que alcance su destino, , pero el pleno desarrollo de su arborización depende del entorno de las neuronas y de las interacciones que se establecen entre ellas. A partir de la semana 15 y después del nacimiento hay un segundo periodo de maduración que está relacionado con la formación de las vías de conexión y el periodo de establecimiento de conexiones que son fu ndamentales para la completa diferenciación neuronal. La maduración de la neurona implica, además de unas características morfológicas, la adquisición de propiedades fisiológicas específicas. Los impulsores del urbanismo neural: el cono de crecimiento y los factores que guían los axones hacia sus destinos El complejo proceso de crecimiento de la neurona inmadura depende de los conos de crecimiento. Éstos existen en todos los extremos de las prolongaciones neuríticas (axones y dendritas) que están desarrollándose y son los que propulsan su crecimiento. Los conos de crecimiento extienden y retraen los filopodia (simple extensión del terminal a modo de dedo) que se agarran al substrato en el que crecen y tiran del cono de crecimiento, promoviendo a su vez el estiramiento de las neuronas (axones y dendritas). Estos movimientos del cono están controlados por el citoesqueleto celular. Otro de los objetivos de los movimientos del cono es captar del entorno neuronal nuevo material de carácter nutritivo para promover el crecimiento global de la neurona. Estas sustancias que favorecen el crecimiento de las prolongaciones se llaman sustancias neurotróficas. La primera sustancia neurotrófica se descubrió en el SNP y se denominó factor de crecimiento nervioso (FCN). Los factores que contribuyen a guiar los axones hacia sus destinos implican tanto procesos de reconocimiento molecular o de afinidad química como soportes de tipo mecánico. 85 0 16 Proceso de afinidad química (propuestas): - Desde las zonas de destino (dianas) de los axones emanan sustancias que los dirigen hacia ellas. Estas sustancias con esta capacidad directriz se denominan sustancias neurotrópicas. (Propuesto por Ram ) ón y Cajal - Hipótesis de la quimioafinidad. Según esta hipótesis cada célula tiene su propia señal de identificación química y sus axones en crecimiento se dirigen hacia señales complementarias específicas liberadas por las neuronas con las que contacta. (Propuesto por R. Sperry, menos aceptada) Soportes mecánicos: Se ha comprobado que los axones se dirigen a sus blancos (estructuras de destino) guiados de diversos modos por soportes mecánicos del entorno en el que crecen. Este entorno lo proporciona la matriz extracelular, y parece que en ella se pueden establecer rutas o senderos que gu axones a sus destinos y repelen e impiden la de otros axones ían los extensión próximos. El balance que se establece entre las distintas moléculas de la matriz extracelular va cambiando durante el recorrido del ax uando el axón llega a ón y c su destino un nuevo entorno extracelular puede señalar la detención del crecimiento del axón. Este es un mecanismo útil para los primeros axones que crecen en una estructura (axones pioneros). Los que crecen posteriormente pueden seguir las rutas marcadas por estos pioneros o agruparse en torno a éstos y a otros para dirigir su crecimiento. Este mecanismo se denomina fasciculación (viajar juntos) y ón de las MAC. se apoya en las propiedades de adhesi - Un gran número de las neuronas que nacen en el proceso de neurogénesis, aunque se diferencien y completen el crecimiento de sus axones y éstos lleguen a su s destinos, afrontan una batalla en la que mueren. Control de poblaciones: supervivencia y muerte neuronal En todo el SNC se produce una neurog énesis excesiva. Esta muerte celular natural llamada apoptosis o muerte celular programada (porque está dirigida genéticamente) sucede en cantidades importantes durante el desarrollo normal, con una tasa entre el 25%-75% de las poblaciones iniciales y ocurre en el último periodo prenatal y en el periodo postnatal temprano. La muerte neuronal es una fase del desarrollo tan importante como la neurogénesis. Es el mecanismo que permite controlar y establecer las poblaciones neuronales realizando un ajuste adecuado entre las poblaciones que emiten axones (presinápticas) y las poblaciones diana (blanco) que los reciben (postsinápticas) 85 0 17 - Experimentos ya clásicos en la investigación del desarrollo demostraron que las motoneuronasque no podían realizar sinapsis porque se eliminaban sus células diana antes de que sinaptaran sobre ellas, morían demostraron q. También ue si el área diana de los axones aumentaba, se reducía la muerte. Factores implicados en la supervivencia neuronal LAS DIANAS DE LOS AXONES son uno de los factores implicados en la determinación de las poblaciones neuronales. La explicación respecto a qué podían proporcionar estas diana para promover la supervivencia de las neuronas llegó con el descubrimiento del FCN, la primera sustancia neurotrófica conocida. Teoría neurotrófica: las neuronas nacen en cantidades muy superiores a las necesarias y deben competir entre ellas para obtener el factor trófico (el FCN) que es producido en cantidades limitadas por las células diana con las que establecen contactos. Este factor trófico de las dianas actúa retrógradamente en las neuronas promoviendo su mantenimiento y supervivencia de modo que sobreviven las que tienen más acceso a él . (supervivencia de las más aptas, símil con la selección natural) La familia de los factores neurotróficas o una importancia crucial para la neurotrofinas tiene supervivencia neuronal porque las neuronas que no obtienen una cantidad suficiente de estas proteínas ( 8.31). se ven abocadas a la muerte Fig. LOS AXONES AFERENTES . Y LAS SINAPSIS que establecen las neuronas con las Dianas Cuando los axones en con las neuronas del crecimiento llegan a sus diana establecen contactos mismo. En estos puntos de contacto entre los axones aferentes y las neuronas de destino, se forman unas estructuras especializadas en la transmisión de señales neurales, denominadas sinapsis. El período en el que se forman las sinapsis se denomina sinaptogénesis, el cual comienza muy pronto en ; , el desarrollo de modo que mientras unas neuronas están proliferando, otras ya están formando sinapsis. Tanto en el SNC como en el SNP, la sinaptogénesis se : lleva a cabo en dos fases 1. Fase en la que se forman numerosas sinapsis provisionales. de sobreproducción 2. Fase en la que se muchas de las que se eliminan realizaron inicialmente y se reorganizan las restantes. Primero se forman sinapsis sobre las dendritas de las neuronas diana y más tarde se forman las sinapsis sobre los cuerpos celulares. Resultados de diversos experimentos indican que las conexiones sinápticas que se establecen sobre una diana regulan ésta produce y, por tanto, la la cantidad de neurotrofina que cantidad que estará disponible para ser captada por los terminales que llegan a ella. En este sentido, cuantas más sinapsis se establecen en una diana mayor es la posibilidad de que sobrevivan las neuronas que establecen sinapsis con e ( 8.31). lla Fig. Se ha demostrado que los ter son muy importantes para la minales presinapticos (aferentes) supervivencia de las neuronas postsin , ya que si se elimina se produce un gran áptica (diana) aumento d dependiendo del e muerte neuronal en las dianas la magnitud el efecto es; diferente período en que se eliminen las aferencias. 85 0 18 FACTORES ENDOCRINOS donde o . están implicadas hormonas gonadales sexuales Estas hormonas son fundamentales durante el desarrollo perinatal (se define como el período que comprende desde la 22 semanas de gestación (154 días) hasta el término de las primeras 4 semanas de vida neonatal (28 días) porque establecen las diferencias morfológicas y fisiológicas del SN que subyacen a las diferencias conductuales características de cada género. Hipótesis de la organización: planteaba que en el desarrollo perinatal los andrógenos (hormonas masculinas) diferencian los tejidos neurales responsables de la conducta reproductora. Se ha visto así, la importancia de estas hormonas como factores epigenéticos del desarrollo. En diferentes especies, incluida la humana, el SN tiene características dimórficas entre los géneros, influyendo sobre las poblaciones neuronales. Este dimorfirmo sexual depende de los efectos organizadores que ejercen las hormonas sexuales en periodos perinatales (cuando se produce la muerte celular programada), críticos para el desarrollo neural. El entorno hormonal al que está expuesto el SN en el periodo perinatal favorece o perdujica la supervivencia neuronal estableciendo diferencias entre las poblaciones neuronales de ambos sexos (se puede observar en las estructuras sexualmente dimórficas de los circuitos neuronales que controlan las conductas reproductoras en mamíferos). Se remodelan las vías de conexión Después de que se han ajustado las poblaciones neuronales el SN experimenta durante el periodo postnatal un remodelado - Una gran eliminación de sinápsis establecidas previamente (por falta de precisión en la inervación o porque la célula diana recibía un número erróneo de ). aferentes que es fundamental para su funcionamiento, que : incluye Una causa de eliminación de sinápsis es la muerte neuronal, como se ha visto, al desaparecer los contactos que habían formados. Pero hay otros factores que provocan posteriormente una gran pérdida de contactos sinápticos, como la eliminación de colaterales de axones en determinadas zonas como el cuerpo calloso. Se produce una “poda” de muchos colaterales y se eliminan sus contactos sinápticos. - Y una reorganización de los contactos que establecen los terminales que permanecen. El proceso de remodelación sináptica coincide con el comienzo de la actividad neuronal y se ha comprobado que la actividad sináptica es fundamental para que se mantengan las conexiones neurales ya que las que no se usan o se usan a destiempo se eliminan. Hipótesis de la competencia: los aferentes que llegan a una diana compiten entre sí y sólo establecen contactos fuertes los que tienen mayor actividad. Hubel y Wiesel en la década de 1960 85 0 19 indicaron que la fuerza de la sinapsis depende de su coactivación, de manera que las sinapsis coactivas se hacen estables, mientras que las que están inactivas (especialmente cuando otras están activas), se debilitan y son eliminadas. - Estos experimentos dieron soporte al concepto de plasticidad neuronal, o capacidad de cambio, de adaptación del SN. Mostraron que la estimulación sensorial en periodos críticos del desarrollo es fundamental para la configuración de los contactos sinápticos, aunque en el SN también se produzca actividad espontánea la cual intervienen en la remodelación sináptica. En general, en el encéfalo humano durante los primeros 4 años después del nacimiento aumenta progresivamente el número de contactos sináp neuronal, y a partir ticos en respuesta a la actividad de ese periodo y hasta la pubertad se produce una gran reorganización sináptica, pero los periodos concretos de remodelación son propios de cada región. La reorganización sináptica aporta precisión y eficiencia de los contactos sinápticos porque se eliminan muchos de los que no se han utilizado y son superfluos, y se preservan sólo los que han mostrado su eficiencia en la actividad neural. También reduce su gasto energético general, permitiendo que pueda disponer de más energía para la actividad de los circuitos neurales que son esenciales. Por lo tanto, el periodo postnatal, la primera infancia en humanos, es un periodo en el que las experiencias que vive cada individuo, marcarán el destino que sus cont sinápticos tendrán actos más adelante. El SN conserva una capacidad de cambio que permite afinar los circuitos de un modo muy preciso para lograr su funcionamiento óptimo en un entorno cambiante. Estos períodos en el que el SN es vulnerable a influencias que están más allá de la programación intrínseca (genética) del desarrollo se denomina período crítico o período de máxima susceptibilidad. Además de la experiencia, otros factores influyen sobre lasepigenéticos distintas fases del desarrollo del SN, como las hormonas gonadales, laadministración de sustancias adictivas (alcohol, drogas, tabaco), los ambientes enriquecidos o empobrecidos, la nutrición, etc. ¿Hasta cuando la remodelación? Cuando los axones han terminado su periodo de crecimiento, han emitido sus colaterales y han consolidado sus conexiones comienza el proceso de mielinización. Ésta se da desde el periodo prenatal hasta bien entrada la edad adulta (no termina antes de los 30 e incluso 50 años). Ocurre en ciclos, con una consecuencia ordenada predeterminada, en dirección caudo-rostral. Diversas investigaciones apuntan que la mielinización se desencadena con el comienzo de la actividad neural y que es un proceso dependiente de la experiencia. Se ha demostrado que la extensión de la sustancia blanca varía entre diferentes sujetos en función de la experiencia y del entorno cambiante en el que se desarrollan. Cambia con las destrezas que se adquieren (ejemplo de un pianista experto con más sustancia blanca en determinadas regiones del encéfalo y con axones con más mialina). En niños que crecen en ambientes empobrecidos el cuerpo calloso es hasta un 17 % más pequeño que lo normal, y al contrario. 85 0 20 La experiencia influye en la mielinización, y la mielinización influye en la capacidad funcional del SN, en e un proceso l aprendizaje y en la adquisición de destrezas. La mielinización es fundamental del desarrollo del SN porque la mielina de conducción de las aumenta la velocidad señales neurales por el axón. Sin embargo, la mielinización también aporta cierta rigidez a los circuitos neuronales, lo que limita la formación masiva de sinapsis. La mielina contiene una proteína que impide que los axones se ramifiquen y establezcan nuevas conexiones. Destrezas como tocar un piano o aprender idiomas sólo se adquieren bien si se aprenden antes de que termine la mielinización de los circuitos neurales implicados. No obstante, el SN adulto sigue manteniendo capacidad de cambio. Sigue produciéndose sinaptogénesis en la edad adulta, aunque a niveles bajos; ocurre reorganización sináptica. Esta capacidad de que en los contactos sinápticos se produzcan cambios que reflejan las experiencias vividas y que permiten la adaptación al entorno cambiante se denomina plasticidad neural, y aunque es mayor en la infancia, se mantienen durante toda la vida. Desde hace unos años se están dando a conocer los primeros datos que confirman que en primates adultos, incluido el hombre, se siguen generando neuronas (a partir de células madre) en el giro dentado del hipocampo y en la zona subventricular del encéfalo anterior. De modo general se puede decir que los factores genéticos establecen una organización básica, que dirige el desarrollo del SN basándose en la superabundancia. En el periodo perinatal y la primera infancia, la interacción con el ambiente intern experiencias que o del organismo y las afronta el SN producirán cambios en la estructura inicial, que serán fundamentales para configurar la organización anatomofuncional del SN de cada ón madura, no individuo. Su organizaci obstante, seguirá conservando capacidad de cambio durante el resto de la vida, lo que permitirá aprender, recordar o recuperar funciones tras lesiones o accidentes. odo esto demuestra que el T SN está bien adaptado para enfrentarse a un entorno de cambio constante. 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 1 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO El estudio de los organismos simples como las bacterias pone de manifiesto que: - las bacterias tienen una relación activa y adaptativa con el medio ambiente, equivalente a la de los animales, y que se puede llevar a cabo sin necesidad de sistema nervioso. - los elementos básicos que permiten a las neuronas recibir y procesar información paras generar respuestas adaptativas ya estaban presentes en organismos filogenéticamente tan antiguos como las bacterias. La es una bacteria que habita en nuestro tracto intestinal E. Coli ayudándonos a digerir los alimentos que ingerimos. Esta bacteria siente, recuerda e investiga su medio ambiente como si se tratase realmente de un animal. En un medio en el que hay distintas concentraciones de glucosa la bacteria se mueve propulsada por sus flagelos desde las zonas en las que no hay o hay poca concentración de glucosa hacia las que presentan mayor concentración. (Figura 9.1) Este comportamiento se da debido a 3 circunstancias: 1. E. Coli dispone de un receptor (proteina de membrana) en su cubierta celular que detecta la glucosa. 2. Cada uno de los receptores (para las diferentes moléculas) provoca una respuesta en el interior celular que desencadena la tercera de las circunstancias. 3. Se da un cambio en la actividad de sus flagelos que le hace dirigirse hacia la zona de mayor concentración de la sustancia detectada, alejarla de ella si es tóxica o moverse buscando por el medio sino encuentra ningún tipo de señal. En la E. Coli existen mecanismos que permiten memorizar, retener información pasada proporcionada por los receptores y compararla con 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 2 la actual, ya que de otra forma no podría dirigirse en el sentido de menor a mayor concentración como realmente hace, simplemente se pararía al encontrar el primer cambio de concentración y no seguiría explorando fuentes mejores. La E. Coli puede integrar la información que en un momento dado le puedan proporcionar distintos receptos y con esta integración se convertirá en la señal que regulara la actividad de los flagelos. Otra bacteria es la (habita en las marismas) Halobacterium Salinarium y tiene además de los receptos de la E. Coli, un fotopigmento sensible a la luz naranja que es una fuente de energía para esta bacteria. Se mueve en la dirección de la fuente luminosa. Ambas bacterias son capaces de emitir un comportamiento sin sistema nervioso pero sin embargo su conducta es equiparable a la que efectúa cualquier organismo pluricelular sencillo dotado de SN. La neurona presenta una gran similitud con el modo de actuar de estas bacterias pero aun así, lógicamente la neurona es una célula muy especializada que desarrolla su actividad dentro de un organismo pluricelular por lo que son notables sus diferencias con las bacterias. EL TEJIDO ESPECIALIZADO EN EL PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION La aparición de las células eucariotas, propicio la aparición de organismos pluricelulares y heterótrofos denominados . Metazoos Los Metazoos están constituidos por la agrupación solidaria de distintas poblaciones celulares con funciones especializadas las cuales condujeron a la aparición de las neuronas y con ellas a la diversificación conductual del reino animal. Las son poríferos, el grupo de metazoos filogenéticamente mas esponjas antiguo que conocemos. Su estructura es sencilla: esta formado por dos capas, una interna, la endodermis, y otra externa la epidermis. Entre una y otra capa existen que responde a células neuroepiteliales estímulos táctiles y químicos y provocan contracciones del cuerpo que abren y cierran los poros a traves de los cuales estos animales filtran el agua y extraen los nutrientes de los que se alimentan. 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 3 Figura 9.2 La Esponja 1. La red nerviosa El siguiente paso evolutivo del SN es representado en animales como son los (hidras, medusas, corales y anémonas de mar) en celentéreos los que ya se encuentra un tejido nervioso propiamente dicho, junto con fibras musculares, glándulas y células sensoriales. Este tejido nervioso se distribuye por todo el cuerpo del animal formando una compuesta por grandes células red nerviosa difusa nerviosas bipolares y multipolares distribuidassin orden particular por todo el cuerpo del animal. Las prolongaciones de estas neuronas aun no tienen una diferenciación funcional que permita distinguir a los axones de las dendritas y los impulsos nerviosos se transmiten por la red en todas las direcciones por igual Una estimulación de cualquier punto del cuerpo del animal puede desencadenar una acción en todo el sistema efector (músculos y glándulas). Las neuronas están muy próximas a los órganos efectores y no existe ningún tipo de especialización regional. Figura 9.3 La Hidra 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 4 2. El Sistema Ganglionar Este sistema es el siguiente paso en la organización del tejido nervioso durante la filogenia. La unidad de este nuevo nivel de organización es el masa ganglio neuronal compacta que favorece un contacto mas rápido entre las células nerviosas y un mayor grado de integración de la información. Ejemplo de esta organización lo representan los anélidos (lombrices de tierra y sanguijuelas) con el cuerpo dividido en segmentos (metámeros) que viven en el mar, ríos y tierra firme. Figura 9.4 Lombriz de tierra 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 5 En el sistema ganglionar se aprecia ya una formada por parte central el conjunto de ganglios, que procesa la información del exterior y controla a su vez a la , constituida por los receptores porción periférica sensoriales y los nervios a traves de los cuales los ganglios reciben la información y la envían a los músculos y glándulas. Encefalizacion El tamaño de los ganglios no es similar en todos los metameros y esto se debe a 2 causas: - Es que el tamaño esta directamente relacionado con la cantidad de funciones que realice el ganglio. - Es la tendencia que se que se aprecia a lo largo de la filogenia, al desarrollo de unidades funcionales mayores que las metamericas a traves de la fusión de dos o mas de estas unidades. Los ganglios tienden a aumentar en la zona rostral ya que son los primeros que toman contacto con el mundo exterior por lo tanto a lo largo de la filogenia es en esta zona donde se han ido alojando los principales receptores sensoriales especializados en la teledetección recepción a distancia de los estímulos ambientales que permite al animal recibir información sin necesidad de entrar en contacto directo con la fuente estimular. Por la similitud anatómica y funcional con el encéfalo de vertebrados (agrupación neuronal rostral encargada de la coordinación y regulación de otros centros nerviosos) a estos ganglios se les denomina ganglios cerebrales o encefálicos. Encefalizacion: Proceso general que a lo largo de la filogenia ha ido acumulando progresivamente mayor cantidad de neuronas en la parte anterior del cuerpo de distintas especies animales. En la mayoría de los existen invertebrados axones de gran calibre (de hasta 1mm de diámetro) que permiten una conducción rápida de los impulsos nerviosos. La causa de estos grandes axones en los invertebrados esta en que, al carecer de mielina (vaina aislada del axon de vertebrados que eleva la 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 6 velocidad de transmisión del impulso nervioso sin necesidad de incrementar el calibre. Este incremento tiene un coste energético considerable y por ello no es una estrategia que se haya implantado con carácter general en el SN de los invertebrados. La ventaja que supone los axones gigantes solo es empleada en situaciones criticas como los reflejos de huida, que permiten al animal desplegar conductas de escape en un corto espacio de tiempo. Las neuronas con axones gigantes son el eslabón final de circuitos reflejos conectados a traves de , las cuales tienen la sinapsis eléctricas ventaja de ser muy rápidas y permiten sincronizar en muy poco tiempo a grupos de neuronas para que den una respuesta con junta, sin embargo tienen el inconveniente de no poder ser moduladas propiedades exclusiva de las . sinapsis químicas El SN de los invertebrados parece tener serias dificultades para seguir incrementando su complejidad, las causas barajadas de estas limitaciones son 2: - el que pueden alcanzar estos organismos tamaño corporal - la que son velocidad de trasmisión del impulso nervioso capaces de conseguir sus neuronas. Los artrópodos poseen un (esqueleto externo) que les da exoesqueleto proteccion mecanica y soporte sobre el que anclar los músculos que hacen posible el movimiento del animal. El exoesqueleto tiene la desventaja a la hora de incrementar el tamaño corporal ya que por su naturaleza no puede crecer gradualmente y cuando lo hace requiere unas condiciones poco favorables a grandes desarrollos corporales . 1 EL TUBO NEURONAL: SISTEMA DE ORGANIZACIÓN DEL TEJIDO NERVIOSO En los se superan las limitaciones que presentaban los vertebrados invertebrados para conseguirán mayor desarrollo encefálico: - Poseen un que permite un amplio margen en esqueleto interno el incremento del tamaño corporal y con ello el incremento de la 1 Para que se incremente el tamaño primero debe desprenderse del esqueleto y construir uno nuevo mayor y en este proceso de cambio el animal es muy vulnerable. 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 7 masa muscular que lo articule y de las estructuras nerviosas que lo gobiernen. - Salvo los vertebrados no mandibulados (peces como las lampreas) disponen de células especializadas que recubren los axones de sus neuronas con una lo que hace posible que vaina de mielina el impulso nervioso pueda transmitirse a grandes distancias y a más velocidad y con menos coste energético. Los vertebrados pertenecemos al de los cordados. El carácter phylum diferencial de este es la presencia de o cuerda dorsal phylum notocorda estructura que es fundamental para la inducción del tejido nervioso durante el desarrollo embrionario y para la formación de la columna vertebral. El (a diferencia de los invertebrados) se sitúa SNC de los vertebrados dorsalmente dentro de una cavidad protegida por tejido óseo (el cráneo y la columna vertebral) presenta simetría bilateral y es segmentado. El tiene una organización ganglionar que SNP de los vertebrados recuerda a la del sistema nervioso de invertebrados aunque la organización interna de los ganglios autónomos y sus conexiones con el SNC le diferencian de aquel. El diseño mas básico del SN de vertebrados puede que fuese en su origen similar al del (cefalocordado, otro subphylum de los anfioxo cordados) un tubo neural dorsal en el que habría una polarización rostrocaudal especialización funcional poco marcada y una dorsoventral como la que existe en la medula espinal y el tronco del encéfalo de todos los vertebrados. Los vertebrados actuales filogenéticamente más antiguos son las lampreas (Figura 9.10) en los cuales se mantienen la polarización rostrocaudal con el encéfalo en el extremo rostral subdividido en 3 regiones: - Encéfalo anterior: telencefalo y diencefalo - Encéfalo medio: mesencefalo - Encéfalo posterior: mielencefalo y metencefalo 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 8 Figura 9.10 Lampreas El SN de todos los vertebrados mantiene este esquema anatómico, persistiendo a lo largo de toda la filogenia muchos de sus núcleos y circuitos básicos, lo que pone de manifiesto la homologia existente entre las regiones encefálicas de las distintas especies de vertebrados. 1. La Medula Espinal y el Tronco del Encéfalo La organización general de la medula espinalse mantiene bastante constante a lo largo de la filogenia. Existen variaciones derivadas de las adaptaciones de cada grupo animal como su longitud o calibre. 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 9 La parte dorsal del mesencefalo esta formada por el coliculo superior (techo óptico) y el . inferior Estas estructuras están relacionadas en todos los vertebrados con la información visual y auditiva: el coliculo superior con la información visual y el inferior con la auditiva El techo óptico a parte de recibir información visual se convierte en una importante región como centro de iniciación del comportamiento pero es a partir de los reptiles y su definitiva conquista de la tierra firme cuando la importancia del techo óptico como estructura integradora de la información sensorial involucrada en la actividad motora va cediendo terreno a las estructuras telencefálicas, aunque sigue siendo un importante centro de integración sensorial y mantiene funciones motoras. Cajal propuso que la decusación de las fibras motoras era consecuencia del cruce que realizan las fibras del nervio óptico. Las fibras procedentes de la retina decusan en el quiasma óptico para solventar la inversión de 180º que experimenta la imagen al atravesar el cristalino. Esta decusación del quiasma óptico esta destinada a mantener una representación continúa en el techo óptico y congruente con la imagen del campo visual. La recusación de los tractos motores son una adaptación destinada a aumentar la eficacia de las respuestas defensivas que dan los animales cuando se enfrentan a un peligro detectado visualmente, por tanto como la información visual viaja al lado contralateral la respuesta motora debe generarse también en ese lado, dándose de forma mas rápida la respuesta que si estuviese en el otro lado. El es, junto a los hemisferios cerebrales, la estructura más cerebelo variable a lo largo de la filogenia de los vertebrados. En el cerebelo se pueden ir distinguiendo 3 regiones que han ido apareciendo paulatinamente a lo largo de la filogenia: - El : es la región que primer aparece en la filogenia y arquicerebelo esta íntimamente relacionada con el sistema vestibular y desde un punto de vista funcional se le denomina vestibulocerebelo. - El : constituye el siguiente logro filogenetico de los paleocerebelo vertebrados y esta constituido por el lobulillo central, la úvula, la pirámide y el vermis, esta division esta relacionada con el control de los movimientos de los musculos axiales del tronco. Su 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 10 relación con la medula espinal esta division filogenética forma parte funcionalmente del espinocerebelo. - El : es la division más reciente desde un punto de neocerebelo vista filogenetico, formado por los hemisferios cerebrales y el vermis medio. La parte intermedia es funcionalmente espinocerebelar porque esta relacionada con la musculatura axial del tronco y extremidades al igual que el paleocerebelo. Figura 9.16 El cerebelo 2. El Encéfalo Anterior: el Diencéfalo El esta relacionado con el mantenimiento de la hipotálamo homeostasis, las conductas agonísticas , la conducta sexual y la 2 conducta reproductora. Entre sus funciones homeostáticas destaca la , termorregulación (propiedad que aparece en la filogenia de los vertebrados solo en las aves y los mamíferos, llamados homeotermos) es uno de los principales hitos de la evolución del SNC de los vertebrados ya que su consecución no solo involucra a diversos núcleos hipotalamicos sino también a 2 Conductas agonistas: conjunto de interacciones sociales en las que median conductas agresivas y de sumisión. 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 11 otras regiones como el tálamo y los hemisferios cerebrales cuya actividad es fundamental para la localización y selección de alimentos energéticamente idóneos. Se puede así mantener la tasa metabólica necesaria para que permanezca constante la temperatura corporal. En el extremo dorsal del Diencéfalo se encuentra el . En el se epitalamo halla el (cuerpo pineal, glándula pineal o epífisis). Esta complejo pineal estructura se relaciona con la conducta de regulación de la temperatura y los ciclos circadianos. El u : (en peces, lampreas, anfibios, lagartos y tercer ojo ojo parietal lagartijas) esta conectado con la epífisis y no existe en el resto de vertebrados. En algunas especies de aves (paloma, pato y aves de corral) mantiene una función fotorreceptora rudimentaria, pero en ellas y en el resto de aves, como ocurre en todos los mamíferos, el cuerpo pineal se transforma en la . glándula pineal La función de la glándula pineal consiste en segregar la hormona melatonina con una ritmicidad circadiana determinada por el ciclo de luz y oscuridad. Figura 9.19 El ojo parietal El es una compleja estación interpuesta entre el mundo tálamo sensorial y los hemisferios cerebrales. Es la zona del diencéfalo que más cambios presenta en tamaño y complejidad entre las especies de vertebrados. 3. El Encéfalo Anterior: los hemisferios cerebrales 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 12 La es la marca distintiva de expansión de los hemisferios cerebrales la evolución del encéfalo de los vertebrados. Algunas regiones subcorticales de los hemisferios cerebrales como los ganglios basales, también modifican su estructura y función en paralelo a los nuevos repertorios motores que van apareciendo como es el caso de la producción del habla en nuestra especie. La es otra estructura que sin embargo mantendrá bastante amígdala inalterada su función haciéndonos compartir con chimpancés o palomas la alarma ante cualquier cosa que repte u otros peligros y ayudándonos a detectar y responder a las situaciones que comprometan nuestra integridad antes de que la neocorteza, nos haga tomar conciencia del riesgo. También contribuirá a que no se nos olvide cualquier situación que nos haya producido una emoción intensa, buena o mala. La Corteza Cerebral El carácter diferencial del SN de los mamíferos es la neocorteza. La corteza cerebral en reptiles tiene 3 capas y en mamíferos 6. En mamíferos la más reciente adquisición filogenética del Sn es la neocorteza isocorteza o . La parece ser la mas sofisticada forma de organización laminar organización neuronal del SN. Consiste en la distribución tanto de las neuronas como de las fibras aferentes y eferentes en capas separadas, lo que permite procesar la información de forma organizada que llega a las regiones corticales (de la corteza). A ello debe añadirse la , columnas definidas en organización columnar función de que sus neuronas reciban información de la misma zona y sean sensible a estímulos similares. A lo largo de la filogenia las células corticales (neuronas de la corteza cerebral) van adquiriendo mayores grados de especialización como es el caso de las células , el tipo celular mas característico de la piramidales corteza cerebral que solo están en reptiles y mamíferos. Todas estas características hacen que posible que en la neocorteza se creen , auténticos a sustratos de circuitos locales muy especializados 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 13 las conductas más complejas. El tamaño de la neocorteza varía de unas especies a otras. Una última peculiaridad de la neocorteza es su heterogeneidad funcional y regional relacionada con la diversidad de tareas que realiza (sensorial, motora, asociativa) y con la información que procesa (olfativa, gustativa, somatosensorial, auditiva y visual). Ello lleva aque de unas especies a otras el tamaño relativo de las áreas donde se alojan esas funciones varíe en función del nicho ecológico ocupado. Es el caso de la . corteza sensorial El tamaño relativo de la primaria no varia mucho en corteza motora las diferentes especies de mamíferos debido a que esta relacionada con la musculatura corporal y su control. La función principal de las es integrar áreas corticales de asociación la información sensorial recibida por las distintas regiones corticales y subcorticales participando en el inicio y control de los comportamientos elaborados destinados a responder de una forma plástica a los retos ambientales. Se encargan de funciones cognitivas complejas y ocupan mucho tamaño. Figura 9.25 El incremento del volumen encefálico marcado por el desarrollo de las áreas corticales de asociación FACTORES QUE PUEDEN ESTAR INVOLUCRADOS EN EL DESARROLLO DEL ENCEFALO 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 14 El SN no es necesario para que una especie perdure millones de año pero existe una relación directa entre su grado de desarrollo y las posibilidades de hacer frente de forma eficiente a retos ambientales. Las ventajas que da el SN a los animales son tan importantes que la presión selectiva ha favorecido a lo largo de la filogenia su desarrollo hasta cotas más altas de lo que el tamaño corporal impone. 1. El tamaño del encéfalo Los organismos con circuitos neuronales más numerosos y complejos tienen incrementados sus posibilidades de supervivencia, pero una parte importante de su tamaño depende simplemente del tamaño corporal medio de las especies. Las de mayor tamaño tienen encéfalos más grandes, por el simple hecho de tener un tamaño mayor. Con el fin de poder usar una escala común para comparar el tamaño encefálico de distintas especies y su grado de desarrollo y complejidad, se estableció como unidad de comparación el Cociente de Encefalizacion (CE): Los valores de CE por encima de la unidad, indican que existe en el encéfalo tejido neural extra dedicado a funciones que no están relacionadas directamente con el tamaño corporal. 2. Relación entre diferentes estrategias evolutivas y el CE Si se observa la naturaleza, vemos que unos animales nacen completamente autónomos mientras que otros dependen enteramente del cuidado parental durante un tiempo variable. Son 2 estrategias: - La de la esta asociada a tener muchos hijos con pocos autonomía cuidados (selección R) - La del cuidado a pocos hijos y nietos cuidados y muchos parental cuidados (selección K) La favorece un rápido desarrollo, temprana madurez selección R sexual, escasa longevidad, por lo que sus episodios reproductivos son pocos. Menos tiempo para aprender y enseñar y por lo tanto usan 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 15 programas conductuales determinados genéticamente. Por lo que no necesitan grandes encéfalos. La favorece desarrollos ontogénicos lentos, cuerpos selección K grandes y longevos y mas episodios reproductivos. Mayor tiempo de interacción entre crías y adultos por lo que hay mas oportunidad de aprendizaje y posibilidad de desarrollo del sustrato neural que lo potencie. 3. Factores fisiológicos relacionados con el CE La es la propiedad que permite mantener la termorregulación temperatura corporal en un valor constante, idóneo para el correcto funcionamiento de la maquinaria metabólica del organismo e independiente dentro de unos márgenes amplios de las fluctuaciones ambientales. De esta forma se palia notablemente el efecto adverso de los cambios de temperatura y se puede tener acceso a nuevos nichos ecológicos. Para mantener constante la temperatura corporal son necesarios cambios en la tasa metabólica y en la frecuencia y calidad de la ingesta, que requieren de un sustrato nervioso específico para la regulación térmica (SNA) y para la localización y recuerdo de fuentes constantes de alimentos y evaluación de su calidad. La presión selectiva debió favorecerlo porque en general los homeotermos tienen encéfalos más grandes que los poiquilotermos. Los animales homeotermos cuando nacen suelen tener mermadas su capacidad termorreguladora y necesitan que los progenitores mantengan su temperatura constante, para lo que cual la homotermia trajo consigo también el desarrollo de un comportamiento parental especifico. Los encéfalos más grandes ofrecen importantes ventajas pero también requieren más tiempo para su desarrollo y más energía para mantenerlos. El encéfalo de un recién nacido es mayor que el de un adulto. 4. Factores ecológicos involucrados en el aumento del CE 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 16 Las especies con CE grandes presentan una mayor ocupación de nuevos nichos ecológicos que las especies con CE pequeños. La es más complicada que la realizada a pie de tierra. vida arborícola En la mayoría de los primates ello ha supuesto una presión selectiva que ha favorecido diferentes adaptaciones. La explotación que cualquier primate realice de su nicho ecológico mejora con la experiencia a lo largo de la vida por lo que la longevidad puede ser una variable involucrada directa o indirectamente con el incremento del encéfalo. Los también ejercen una presión selectiva directa hábitos alimenticios sobre el tamaño del encéfalo. Los primates que comen hojas (folivoros) tienen encéfalos más pequeños que los que comen fruta (frugívoros). Las también han interacciones ecológicas entre distintas especies ejercido una presión selectiva en el desarrollo del encéfalo. 5. Factores etológicos involucrados en el aumento del CE Las han contribuido mucho al desarrollo del interacciones sociales encéfalo. El influye en el desarrollo del encéfalo. Grupo más tamaño del grupo grande, mas desarrollo del encéfalo. El también influye en el desarrollo del encéfalo (pone a prueba los juego circuitos neuronales). 6. La inteligencia La inteligencia es una variable escurridiza por su difícil definición y medición en otras especies. Es la capacidad que permite el grado de flexibilidad mental o conductual necesario para dar soluciones nuevas y adaptativas a cada problema que el medio plantea. En nuestra especie tiene un alto grado de heredabilidad, por lo que esta ligada al éxito reproductivo y su correlación con el desarrollo y tamaño encefálico es alta. EL ENCÉFALO DE LOS HOMÍNIDOS 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 17 Los humanos tenemos el índice de encefalización más alto de todos los mamíferos (>7). Somos primates, catirrinos, hominoideos, taxón que 3 compartimos con los llamados simios antropomorfos, monos antropomorfos o antropoides (gibones, orangutanes, gorilas, chimpancés y bonobos o chimpancés pigmeos). Los primeros homínidos surgieron hace 24 millones de años. Los análisis genéticos han puesto de manifiesto que los chimpancés son nuestros parientes más próximos con los que compartimos un antepasado común. La separación entre los chimpancés y la primera de las especies de nuestra línea evolutiva, la de los homínidos, se produjo hace 7 y 4.5 millones de años. Los restos fósiles más antiguos de homínidos pertenecen a diversos géneros entre los que se incluye el género Australopithecus. La especie A.afarensis es la más antigua. Con un encéfalo entre 3 y 4 veces menor vivía en los bosques y su alimentación era muy parecida a los chimpancés salvo que incorporaban raíces a su dieta. Pero la diferencia más notable era su postura bípeda. Sin embargo eso no parece influir directamente sobre el desarrollo del encéfalo. La primera especie de nuestro género ( ) apareció hace 1,9 a1.6 Homo millones de años, poco después del inicio de las glaciaciones. Se le puso el nombre de Homo Habilis H. habilis . La aparición de la especie se asocia con la extinción del género Australopithecus y representa la primera de un género, alguna de cuyas especies, distintas a la nuestra, perdurará en la Tierra más de un millón de años. Luego el H.ergaster y luego el H.erectus. La altura de estos homínidos era muy parecida a la nuestra o incluso mayor y su cara era menos simiesca que la de sus antecesores. Los cambios principales en el encéfalo lo presentan en los lóbulos frontales. 1. Cambios en la Ontogenia Los procesos de neotenia son consecuencia de cambios genéticos específicos que propiciaron en nuestros ancestros: 1) Mantenimiento de una configuración craneal juvenil durante más tiempo, permitiendo el desarrollo postnatal del encéfalo. 2) Periodos más largos de proliferación celular llevando a un mayor desarrollo de la neocorteza. 3 "Taxón: es un grupo de organismos emparentados, que en una clasificación dada han sido agrupados, asignándole al grupo un nombre en latín, una descripción, y un "tipo", de forma que el taxón de una especie es un espécimen o ejemplar concreto. 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 18 3) Mantenimiento durante más tiempo de la capacidad del SN para modificar su funcionamiento y morfología ante cambios ambientales plasticidad neural para dar versatilidad al comportamiento. 2. Cambios en el Sistema Digestivo y la Alimentación La calidad de la dieta es fundamental para el desarrollo de encéfalos grandes. Parece que en el H. ergaster se produce un cambio en su sistema digestivo ligado a una modificación del tipo de dieta (incorporación de proteínas de origen animal). No fue acompañado de una dentición más eficaz. • Creación de Herramientas; Los representantes del género Homo intervenían con anticipación y propósito sobre su medio ambiente para elaborar y utilizar herramientas que les permitían paliar sus carencias anatómicas. La capacidad de creación de herramientas, además de necesitar de una mente capaz de representar el objeto final y anticipar su utilidad, requiere también de unos movimientos precisos controlados por los ganglios basales. 3. Cambios en la Reproducción Las mujeres alcanzan la madurez sexual antes de lo que corresponde a un primate de nuestro peso encefálico. El periodo entre un nacimiento y otro se acorta. Así que la única explicación pasa por considerar que estos homínidos vivían en grupos sociales, como lo hacen otros antropoides. • Interacción Social; parejo a su desarrollo encefálico, se produce una notable disminución del dimorfismo sexual lo que se ha interpretado como una señal de monogamia y con ello la aparición de la estructura familiar que ha perdurado hasta nuestros días. Esta está ligada a la mayor receptibilidad sexual de la monogamia mujer lo que permite una relación sexual continuada en el tiempo no ligada a la reproducción, favoreciendo los vínculos afectivos de la pareja. Así, es más probable que el macho se involucre en el cuidado de los hijos. Se cree que estos cambios conductuales en el hombre fueron asociados a cambios en los niveles de determinadas hormonas (oxitocina y arginina-vasopresina) relacionadas con el comportamiento parental. 4. Interacción social En una vida en grupo todas las habilidades correlacionan con la aptitud inclusiva, de ahí que la selección natural ejerza una presión selectiva que tienda a mejorarlas y pasa por el desarrollo de áreas 85 0 TEMA 9: FILOGENIA DEL SISTEMA NERVIOSO Psicobiología 19 corticales (por ejemplo la corteza cingulada anterior y parte del lóbulo frontal, que intervienen en el autocontrol y la conciencia social, dos habilidades fundamentales para sacar adelante nuestros genes). 5. El Lenguaje La interacción social lleva implícita la comunicación, y el lenguaje es un instrumento imprescindible para ella. Las asimetrías corticales asociadas con el lenguaje se encuentran ya, aunque en menor medida, en gorilas y chimpancés, lo cual indica que el sustrato neural del lenguaje es herencia de un antecesor común de los antropoides y los humanos. No sabemos si los individuos del género hablaban o no, pero sí Homo parece que la reorganización encefálica detectada en esta especie afectó al área de Broca. Sin embargo, el análisis del canal por el que sale el nervio hipogloso del cráneo ha puesto de manifiesto que ese canal no adquiere las dimensiones que presenta en nuestra especie hasta hace tan solo 300.000 años. Por otro lado, los datos también parecen indicar que los individuos del género no tenían adecuado control del diafragma y los músculos Homo torácicos requerido para la producción del lenguaje. Todo ello indica que es poco probable que esos homínidos dispusieran de un lenguaje similar al nuestro. 6. La Cultura El lenguaje está estrechamente asociado a ese otro tipo de herencia no genética que llamamos cultura y que recoge todo lo que la experiencia, la observación, el arte y la tecnología han ido enseñando y aportando a la humanidad a lo largo de los poco más de 100.000 años de existencia de nuestra especie. La cultura ha creado un entramado social complejo. Aquí es importante señalar el papel de la educación. 85 0 TEMA 10: BASES DE LA COMUNICACIÓN NEURONAL Psicobiología 1 TEMA 10: BASES DE LA COMUNICACIÓN NEURONAL 1ª PARTE: El potencial eléctrico de las membranas neuronales. La información procedente del medio ambiente, las órdenes y cualquier otro tipo de información son “traducidas” a un usado por las código neuronas para comunicarse entre sí y con otras células del organismo. Este código nervioso está basado en 2 tipos de señales: - Señales eléctricas: se originan en las dendritas y en el soma (especializados en la recepción de información) y otras en el cono axónico siendo conducidas a lo largo del axón hasta los botones terminales. - Señales químicas: actúan como mediadoras en la transmisión de información a otras neuronas y células del organismo. Las neuronas se comunican básicamente de 2 formas: - Sinapsis eléctricas - Sinapsis químicas EL POTENCIAL ELÉCTRICO DE LAS MEMBRANAS Todas las células (incluidas las neuronas) mantienen a través de sus membranas una diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior celular y sobre todo en el caso de las neuronas es fundamental para que la transmisión de información se produzca. Esta diferencia de potencial o de carga eléctrica se debe a la diferente distribución de moléculas existentes a ambos lados de la membrana celular cada una de estas moléculas presenta una carga eléctrica (ion) que puede ser: - positiva (catión) - negativa (anión) La distribución de estas moléculas cargadas eléctricamente determinará la cantidad de cargas positivas y negativas que se encuentran situadas a ambos lados de la membrana. 85 0 TEMA 10: BASES DE LA COMUNICACIÓN NEURONAL Psicobiología 2 La diferencia de potencial no se produciría si las cargas eléctricas del ambos lados estuvieran compensadas (que cada lado tuviese igual cantidad de cargas positivas y negativas) Al no existir esa compensación de cargas se establece dicha diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana denominado potencial de membrana y representa la carga eléctrica o voltaje que se genera a través de esa membrana ( : voltaje de membrana), como Vm consecuencia de la diferente distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la misma. Cuanto mayor es la diferencia de potencial entre el interior y el exterior, mayor carga eléctrica presenta la membrana. En la distribución de las cargas eléctricas a ambos lados de la
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