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Dr. Fernando D. Saraví Los ganglios de la base (GB) son un conjunto de núcleos subcorticales conectados entre sí y con la corteza cerebral y el tálamo, que tradicionalmente se han relacionado exclusivamente con el control de los movimientos. No obstante, hoy existe evidencia de que los GB constituyen un sistema que contribuye de manera importante a otros aspectos de la fisiología cerebral, como funciones asociativas, ejecutivas, motivacionales y emocionales a través de circuitos o asas que los conectan con las regiones corticales relevantes. Por lo expuesto, aunque la mayor parte de este capítulo se dedicará al papel de los GB en la regulación de la motricidad, también se describirán brevemente sus otras funciones conocidas. RESEÑA ANATÓMICA Los GB son parte del diencéfalo. Los núcleos que forman los GB son (Fig. 1): 1. El núcleo estriado o striatum (formado por el núcleo caudado y el putamen). 2. El globo pálido. 3. El núcleo subtalámico. 4. La sustancia negra. El núcleo caudado está separado del putamen por la cápsula interna. El striatum es el blanco de las principales aferencias a los GB, las cuales provienen de la corteza, el tálamo y el tallo cerebral. A su vez, proyecta eferentes hacia los segmentos externos e interno del globo pálido y a la parte reticulada de la sustancia negra. Los eferentes del segmento externo del globo pálido se dirigen al segmento interno y al núcleo subtalámico. El segmento interno del globo pálido es el origen de las principales eferencias de los GB, que se dirigen al tálamo y de allí a la corteza y al tallo cerebral. El núcleo subtalámico recibe, como se mencionó, aferentes del segmento externo del globo pálido, y además aferentes de la corteza, del tálamo y del tallo cerebral. Sus eferencias se dirigen a ambos segmentos del globo pálido y la parte reticular de la sustancia negra. La sustancia negra consta de dos núcleos diferentes, llamados parte compacta (dorsomedial) y parte reticulada (ventrolateral). La parte reticulada tiene una estructura y función similar al segmento interno del globo pálido, al punto que puede considerarse funcionalmente parte de dicho segmento. En cambio, la parte compacta es el origen de neuronas dopaminérgicas que inervan principalmente el striatum. El área tegmental ventral también contribuye a la inervación dopaminérgica. ORGANIZACIÓN SINÁPTICA Como acaba de esbozarse a propósito de la anatomía, los GB forman circuitos subcorticales que asisten a la corteza cerebral en sus funciones. Clásicamente se describen dos vías, llamadas directa e indirecta (Fig. 2 A). Ambas se originan en neuronas de la corteza cerebral que emplean glutamato y son por tanto excitatorias Los ganglios de la base Posgrado-00 Sello Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 2 sobre las neuronas de proyección del striatum, llamadas neuronas espinosas medianas (NEM). La actividad de las NEM es modulada por la dopamina proveniente de la sustancia negra, que en general facilita la actividad de la vía directa e inhibe la actividad de la vía indirecta. Las NEM emplean GABA como neurotransmisor y son por tanto inhibitorias. Además de GABA, estas neuronas pueden liberar neuropéptidos cotransmisores, cuya función aún no se comprende bien: sustancia P y dinorfina en la vía directa y encefalina en la vía indirecta. En la vía directa, las NEM inhiben las neuronas del segmento interno del globo pálido. Estas neuronas también son gabaérgicas e inhiben los núcleos talámicos y del tallo cerebral hacia los cuales proyectan sus axones. Cuando se reduce la actividad de las neuronas del segmento interno se desinhiben los núcleos hacia los cuales proyectan. Las neuronas talámicas son glutamatérgicas, están tónicamente activas y envían sus eferencias a la corteza cerebral. Por tanto, el resultado de su desinhibición es un aumento de su efecto excitador sobre la corteza. En la vía indirecta, las NEM inhiben las neuronas gabaérgicas del segmento externo del globo pálido. Estas neuronas inhiben tónicamente al núcleo subtalámico. La mayor actividad de las NEM resulta en una supresión de la inhibición. El núcleo subtalámico posee neuronas de proyección glutamatérgicas, capaces de estimular el segmento interno del globo pálido. Por tanto, la activación de la vía indirecta resulta en disminución de la excitación cortical por parte de las neuronas talámicas. El esquema clásico descripto ha debido ser modificado debido a nuevas evidencias. Los números se refieren a la Fig. 2 B. 1. La corteza también proyecta directamente al núcleo subtalámico, originado la vía llamada hiperdirecta (1). 2. Hay una importante proyección excitatoria del tálamo al striatum (2). 3. El striatum también envía proyecciones a la parte compacta de la sustancia negra y el área tegmental ventral (3). 4. La proyección del striatum por la vía directa también envía colaterales al segmento externo del globo pálido (4). 5. El segmento externo del globo pálido tiene conexiones recíprocas con el striatum (5). Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 3 6. El núcleo subtalámico tiene conexiones recíprocas con el segmento externo del globo pálido (6). 7. La proyección dopaminérgica no se limita al striatum, sino que alcanza también la corteza, el globo pálido y el núcleo subtalámico (7). 8. La conexión entre el tálamo y la corteza cerebral es recíproca (8). Aunque no se muestra en la Fig. 2, todos los núcleos que forman los GB reciben aferentes serotonérgicos provenientes de los núcleos del rafe. Organización sináptica del striatum El globo pálido, la sustancia negra y el núcleo subtalámico son relativamente simples en cuanto a las neuronas que los constituyen, en el sentido de que prácticamente carecen de interneuronas. En cambio, en el striatum existen al menos dos clases de interneuronas: colinérgicas y gabaérgicas. Las interneuronas forman 10 a 15 % del total de neuronas del striatum; el resto son neuronas eferentes (NEM). Los aferentes excitatorios corticales y talámicos (glutamatérgicas) y los aferentes dopaminérgicos de la sustancia negra establecen sinapsis con las NEM y con ambas clases de interneuronas. Las NEM tienen escasa o nula descarga espontánea y solamente descargan cuando son excitadas por glutamato, por lo cual desde el punto de vista neurofisiológico se las llama neuronas fásicamente activas. Por su parte, las interneuronas colinérgicas poseen somas grandes y dendritas que carecen de espinas sinápticas. Estas neuronas descargan espontáneamente con una frecuencia de 8 a 10 Hz y por tanto se llaman neuronas tónicamente activas. Las neuronas colinérgicas poseen un efecto modulador, en general inhibitorio, sobre la excitabilidad de las NEM, tanto por acción directa sobre éstas como por inhibición presináptica de la liberación de glutamato y dopamina. A su vez, los aferentes dopaminérgicos inhiben la liberación de acetilcolina (Fig. 3). Los axones de las interneuronas gabaérgicas que son estimuladas por aferentes corticales establecen sinapsis principalmente en los somas de las NEM. La activación de estas sinapsis causa una muy eficaz inhibición anterógrada de las NEM. Las NEM también pueden inhibirse unas a otras (recíprocamente) por colaterales de sus axones que inervan las dendritas distales de otras NEM (inhibición recurrente). Debido a que estas sinapsis están lejos del soma, su efecto hiperpolarizante a nivel del soma es pequeño (Fig. 4). Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 4 De la organización sináptica descrita puede inferirse que el papel de las interneuronas gabaérgicas es suprimir la descarga de las NEM que no hayan sido intensamente estimuladas por los aferentes corticales (o talámicos). En cambio, la inhibición recurrente tiene un efecto mucho más sutil,capaz de modular la descarga de las NEM que se encuentren activas. FUNCIONES DE LAS PRINCIPALES VÍAS Como se dijo, hoy se sabe que la organización sináptica de los GB es bastante más compleja que la propuesta en el modelo clásico. Sin embargo, todavía no hay una formulación exhaustiva del funcionamiento de los GB que incorpore todos los datos. Por esta razón, a los efectos didácticos solamente se explicará cómo se cree que funciona el modelo clásico, con la única adición de la vía hiperdirecta, para el asa motora de los GB (Fig. 5). La activación de la vía directa da como resultado la inhibición de las neuronas del segmento interno del globo pálido y de la parte reticular de la sustancia negra. Al disminuir la descarga tónica de estas neuronas sobre las neuronas tálamocorticales, estas últimas se desinhiben y aumentan su descarga sobre la corteza, facilitando un determinado programa motor. Por otra parte, las vías hiperdirecta e indirecta excitan al NST, cuyas neuronas estimulan al segmento interno del globo pálido y la parte reticular de la sustancia negra, que a su vez inhiben al tálamo y reducen su influencia excitatoria sobre la corteza. El resultado conjunto de estas acciones excitatorias e inhibitorias es la facilitación de la ejecución de una secuencia determinada de movimientos (programa motor) al tiempo que se suprimen otros programas motores diferentes. La dopamina facilita la vía directa e inhibe la vía indirecta En la parte compacta de la sustancia negra se encuentran las neuronas dopaminérgicas que proyectan a los GB, en especial al striatum. El efecto que tiene la activación de esta vía sobre la actividad de las NEM depende de los receptores sobre los cuales actúen. Se conocen cinco tipos de receptores dopaminérgicos, todos ellos metabotrópicos, de la familia de receptores acoplados a proteína G (GPCR). Los principales tipos en el striatum son D1 y D2 (Fig. 6 A). Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 5 Los receptores D1 están acoplados a proteína Gs y por tanto, a través de ellos, la dopamina estimula la adenilato ciclasa y aumenta la síntesis de cAMP. Además aumentan la concentración intracelular de Ca2+ por facilitación de canales de Ca2+ y por activación de la fosfolipasa C, que aumenta la concentración de diacilglicerol e inositol trifosfato. La activación de receptores D1 aumenta la excitabilidad neuronal. Por el contrario, los receptores D2 están acoplados a proteína Gi, por lo cual tras su activación se inhibe la adenilato ciclasa y disminuye la síntesis de cAMP. Además activan canales de K+, con lo cual tienden a causar hiperpolarización, e inhiben canales de Ca2+. La activación de receptores D2 reduce la excitabilidad neuronal. Ahora bien, las NEM del striatum que forman parte de la vía directa poseen receptores D1, mientras que las NEM de la vía indirecta poseen receptores D2. En consecuencia, la liberación de dopamina en el striatum tiene como consecuencia facilitar la activación de la vía directa e inhibir la activación de la vía indirecta (Fig. 6 B). En el asa motora, estas acciones tienen como resultado facilitar el movimiento planeado al tiempo que se inhiben otros programas motores (cf. la Fig. 5). La descarga de dopamina es en parte regulada por autorreceptores D2 presinápticos. Además, hay NEM que envían sus aferencias hacia la parte compacta de la sustancia negra, formando un asa local de retroalimentación negativa. Las proyecciones tálamo-estriatales cumplen funciones generales y específicas Los aferentes al striatum provenientes del tálamo pertenecen a dos categorías con diferentes características y funciones. Por una parte, los llamados núcleos intralaminares del tálamo, que forman parte del sistema reticular activador ascendente (ver EL RITMO DIARIO DE ACTIVIDAD: SUEÑO Y VIGILIA) En particular, los núcleos centromediano y parafascicular inervan preferencialmente el striatum pero dan colaterales a la corteza. Además de las fibras procedentes del tallo cerebral, estos núcleos reciben retroalimentación del segmento interno del globo pálido y de la parte reticulada de la sustancia negra. El núcleo centromediano recibe además afrencias de la corteza premotora, motora y somestésica, mientras que el núcleo parafascicular recibe aferentes corticales de las áreas prefrontales y los campos oculares suplementarios. La terminación de las proyecciones de los núcleos centromediano y parafascicular en el striatum no es difusa, sino convergente en ciertas regiones, donde forman sinapsis axodendríticas. Descargan potenciales de acción aislados y carecen de relación con los aferentes dopaminérgicos. Están relacionados con asas subcorticales entre los GB y el tallo cerebral. Su función precisa se desconoce, pero se postula que proporcionan al striatum información polimodal proveniente del tallo cerebral y relacionada con el estado de atención. Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 6 El segundo grupo de aferentes tálamo- estriatales procede de núcleos talámicos que proyectan hacia áreas corticales específicas; de hecho, está formado por colaterales de las proyecciones tálamocorticales. Su patrón de descarga es en salvas de potenciales de acción. Su terminación en el striatum es amplia y más difusa. Forman sinapsis axo-espinosas y convergen con las aferencias dopaminérgicas. Estos aferentes tálamo-estriatales responden a funciones específicas relacionadas con la motricidad, la sensibilidad, las enociones o las funciones superiores. Se cree que brindan al striatum información contextual relacionada con el funcionamiento de asas específicas entre la corteza, los GB y el tálamo. EL ASA MOTORA Aunque todavía es un tema de activa investigación, se conoce más del funcionamiento del asa motora que de las otras. La parte del striatum relacionada con el asa motora es el putamen, en su porción posterior o postcomisural (por detrás de la comisura anterior). Organización anatómica Las aferencias corticales al putamen están somatotópicamente organizadas: La región más ventral recibe aferencias del rostro, la región más dorsal recibe aferencias del miembro inferior, y la región intermedia, aferencias del miembro superior. El putamen recibe proyecciones corticales principalmente del área motora primaria (M1) y del área motora suplementaria (SMA); Fig. 7. Dentro de cada región somatotópicamente definida, la proyección de M1 inerva la parte lateral del putamen y la proyección de SMA inerva la parte medial; en el centro del putamen hay convergencia de ambas aferencias. La somatotopía se conserva en el globo pálido y en los núcleos talámicos ventral anterior y ventral lateral. Las proyecciones talámicas retroalimentan SMA y M1, además de dirigirse a la corteza premotora. Aunque la somatotopía y la topografía de las conexiones se estudiaron con detalle en monos, un estudio detallado con resonancia magnética funcional (fMRI) en 1000 sujetos humanos confirma la organización somatotópica (Fig. 8 A) y el patrón de proyección de M1 hacia la parte lateral del putamen y de SMA hacia la parte medial (Fig. 8 B). Funciones en el control motor Durante la ejecución de un acto motor algunas Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 7 neuronas del segmento interno del globo pálido disminuyen su descarga mientras que otras la aumentan. Las primeras parecen importantes en permitir el inicio del movimiento, mientras que las segundas impedirían movimientos innecesarios o contrarios al deseado. Los ganglios de la base tienen un papel en asistir la planificación y la finalización de movimientos voluntarios. Además intervienen en determinar la escala de amplitud y velocidad del movimiento. En general, las neuronas se activan de manera dependiente de la dirección del movimiento, independientemente de los músculos precisos que sean activados.Finalmente, ciertas neuronas modifican su actividad en relación a la preparación para un movimiento (relacionada con SMA); estas son diferentes de las que se activan o inhiben durante la ejecución del mismo, relacionada con M1. Mediante sus proyecciones al tallo cerebral, en particular a los núcleos pedúnculopontinos, los GB también interactúan con el control cortical y cerebeloso de los movimientos (Fig. 9). Existe también un circuito oculomotor conectado con los campos óculomotores suplementarios corticales, importantes para la regulación de movimientos oculares sacádicos. Este circuito óculomotor tiene importantes conexiones con los tubérculos cuadrigéminos anteriores. Funciones en el aprendizaje motor Cuando un sujeto está aprendiendo una secuencia de movimientos coordinados, la región del striatum que muestra mayor activación no es el putamen posterior, sino el putamen anterior y la parte anterior del núcleo caudado, que forma parte del circuito relacionado con las áreas prefrontales de asociación, incluyendo la parte anterior de la circunvolución del cíngulo. Estas áreas se relacionan con los movimientos que se encuentran bajo deliberado y estricto control intencional. Esto ocurre, por ej., cuando una persona aprende a conducir un automóvil. Mientras está aprendiendo debe coordinar voluntariamente la dirección, la velocidad y los cambios de marcha, lo cual exige intensa participación de los circuitos frontales. Durante esta etapa cualquier estímulo que distraiga al sujeto puede ocasionar un error. Una vez que las secuencias de movimientos se han consolidado y tornado habituales, la activación se produce principalmente en el putamen posterior. La adquisición de patrones de movimiento habituales, que se pueden ejecutar de manera semiautomática, es una forma de memoria que se denomina memoria de procedimiento, en la cual participan de manera destacada los GB. Sin embargo, incluso durante la ejecución de patrones de movimiento aprendidos, los circuitos prefrontales pueden reasumir el control ante una situación inusual. Por ej., un conductor Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 8 Tabla 1: Trastornos motores relacionados con los ganglios de la base (Kandel) Trastorno Fisiopatología Neuroquímica Clínica Tratamiento Enfermedad de Parkinson Degeneración vía nigrostriada (N. del rafe, Locus coeruleus, N. motor X par) Reducción en concentración de dopamina (también serotonina y noradrenalina) Afecta adultos Temblor de reposo Rigidez Bradikinesia Inexpresividad Levodopa Inhibidor de la DOPA decarboxilasa Anticolinérgicos Enfermedad de Huntington Degeneración neuronas colinérgicas del striatum y la corteza Reducción colina acetiltransferasa, glutamato decarboxilasa y GABA Autosómica dominante Demencia progresiva 10-15 años. Corea Hipotonía No hay terapia específica; se usan neurolépticos para controlar la corea Hemi- balismo Lesión de un núcleo subtalámico Pérdida de neuronas glutamatérgicas Movimientos involuntarios bruscos y violentos Neurolépticos (butirofenonas) Diskinesia Tardía Hipersensibilidad a la dopamina provocada por fármacos ¿? En pacientes tratados con neurolépticos. Movimientos involuntarios lentos de cara y lengua Detener la adminis- tración del fármaco causante (no siempre funciona) Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 9 argentino avezado que debiera conducir un auto en un país donde se circula a la izquierda (como el Reino Unido), deberá realizar un esfuerzo consciente adicional para mantenerse a la izquierda hasta tanto se habitúe a esa modalidad. Es probable que las interneuronas colinérgicas del striatum contribuyan al aprendizaje motor, ya que la aparición de estímulos sobresalientes reduce su actividad tónica y por tanto modula la descarga de las NEM. Por otra parte, las neuronas dopaminérgicas tienden a descargar en función de la “recompensa” o beneficio esperado de una secuencia de movimientos, lo cual facilitaría el aprendizaje de secuencias ventajosas para el individuo. Se desconoce el origen de la información que permite esta modulación de la descarga dopaminérgica, pero los componentes corticales y subcorticales del sistema límbico som obvios candidatos. Trastornos motores vinculados con los ganglios de la base Diversos trastornos de la motricidad se afectan cuando existen lesiones en los GB. El mejor conocido es la enfermedad de Parkinson, que se caracteriza clínicamente por reducción en los movimientos espontáneos (hipokinesia), lentitud en iniciar y finalizar los movimientos (bradikinesia), inexpresividad facial (“cara de jugador de poker”), rigidez muscular “en caño de plomo” y temblor de 4 a 6 Hz que inicialmente aparece en las manos cuando la persona no realiza movimientos voluntarios (temblor de reposo). Fue la primera enfermedad neurológica caracterizada desde el punto de vista neuroquímico como debida a la degeneración de las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra. Cuadros parecidos pueden aparecer por destrucción de dichas neuronas por toxinas o bloqueo de los receptores dopaminérgicos causado por fármacos (por ej. haloperidol y otros antipsicóticos típicos). Además de este trastorno caracterizado por hipokinesia, ciertas enfermedades de los GB causan cuadros hiperkinéticos, donde aparecen movimientos anormales (Tabla 1). El daño selectivo al núcleo subtalámico de un lado causa hemibalismo (movimientos bruscos de las extremidades) y la degeneración de las neuronas del striatum que dan lugar a la vía indirecta es característica de la enfermedad de Huntington (corea), heredada como rasgo autosómico dominante. OTRAS ASAS DE LOS GANGLIOS DE LA BASE Las diferentes asas entre la corteza y los GB se diagraman en la Fig. 10. Cabe notar que cada una involucra diferentes sectores de la corteza, el striatum, el globo pálido y la parte reticular de la sustancia negra y el tálamo. El núcleo subtalámico también muestra segregación de los sectores vinculados con cada una de estas asas corticales (Fig. 11). La corteza prefrontal forma dos subcircuitos con funciones diferentes (aunque interrelacionadas). Hay dos asas principales originadas en la corteza prefrontal, llamadas lateral dorsal y lateral órbitofrontal. El circuito prefrontal lateral dorsal se origina en las áreas 9 y 10 de Brodmann y envía axones hacia la cabeza del núcleo caudado, el cual se conecta con la cabeza del núcleo caudado, el cual proyecta a la porción dorsomedial del globo pálido y la porción anterior de la parte reticulada de la sustancia negra. Las eferencias del globo pálido se dirigen a los núcleos talámicos ventral anterior y medio dorsal, y de alli a las áreas prefrontales dorsolaterales. Este circuito participa en funciones ejecutivas como resolución de problemas. El circuito prefrontal lateral órbitofrontal proyecta hacia la porción ventromedial del núcleo caudado y los sectores correspondientes del globo pálido y el tálamo. Tiene un papel importante en regular el comportamiento empático y socialmente adecuado. Los ganglios de la base Dr. Fernando D. Saraví 10 El asa límbica¸se relaciona con las emociones y la motivación, por lo cual tambien se lo llama “circuito de recompensa” (Fig. 12). La corteza anterior del cíngulo y órbitofrontal medial envía proyecciones al striatum ventral (que incluye el núcleo accumbens). Esta región del striatum recibe también aferencias del complejo de la amígdala, el hipocampo y la corteza endorrinal. El striatum ventral envía sus axones hacia los sectores correspondientes del globo pálido (ventral y rostromedial) y de la parte reticulada de la sustancia negra (rostrodorsal). A su vez estos sectores envían sus eferencias hacia el núcleo mediodorsal del tálamo, cuyos axones se dirigen principalmentea la corteza anterior del cíngulo, relacionada con la toma de decisiones. Otras conexiones incluyen el hipotálamo y núcleos del tallo cerebral: núcleos del rafe y núcleos pedúnculopontinos.
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