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SC 9.1. El cierre del tubo neural. V. Flores Luego de su formación (determinación y diferenciación parcial) y modelación, la placa neural, debido a interacciones con tejidos adyacentes con los cuales contacta, se transforma en tubo neural. El proceso global consta de varios fenómenos: a)generación de un surco medial, b) sobreelevación de los bordes de la placa y formación de los pliegues o labios del surco neural, c) acercamiento de los pliegues neurales a la línea media, d) fusión de los pliegues en la línea media, e) segregación de las tres poblaciones celulares que integran los labios del surco neural (ectodermo neural, cresta neural y ectodermo epidérmico), f) fusión de los lados derecho e izquierdo de la placa neural y del ectodermo epidérmico, g) migración de las células de la cresta neural y h) recomposición y estabilización de los epitelios. - Al principio, la placa neural es plana (Fig. SC 9-1-1 A). La formación del tubo neural se inicia con la formación del surco medial en la placa neural. Este fenómeno depende principalmente del comportamiento de células que ocupan la línea media de la placa neural. En la región cefálica de la placa neural –la zona que interactúa con el mesodermo precordal y que dará origen al prosencéfalo–, las células mediales se originan directamente del ectodermo neural. En la región caudal –la que interactúa con la notocorda y que originará al cerebro posterior y la médula– las células mediales provienen del nódulo de Hensen. Éste genera tanto las células de la notocorda como también las de la placa del piso. Las células mediales, independientemente de su origen, sufren cambios de forma promovidos por el mesodermo subyacente, de cilíndricas pasan a ser cónicas o piramidales truncas y, como consecuencia, la placa se pliega generándose un surco medial, el surco neural. El sitio en que se genera el surco neural opera como eje de giro de las mitades derecha e izquierda de la placa neural; debido a ello se denomina “bisagra medial” (Fig. SC 9-1-1 A- B). - Los bordes de la placa neural –la zona de transición entre ésta y el ectodermo epidérmico– se encuentran ocupados por una población celular determinada a formar la cresta neural. Tres conjuntos de fuerzas, actuando simultáneamente, podrían producir la elevación hacia el dorso de los bordes del surco neural (Fig. SC 9-1.1 B): 1) el efecto de la bisagra medial eleva los bordes de la placa neural hacia el dorso, 2) la notocorda y la placa del piso se encuentran fuertemente adheridas y al conjunto se lo denomina “notoplaca” (Fig. SC 9-1-1 B). Ésta, en el momento en que empiezan a sobreelevarse los pliegues neurales, sufre un proceso de rápida elongación. Durante dicho proceso, la notoplaca es la estructura más rígida del http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg embrión. Las regiones no mediales de la placa neural, por el contrario, exhiben un comportamiento elástico. La notoplaca realiza una fuerza de tracción que genera una línea de tensión generalizada a lo largo de la línea media y las regiones laterales de la placa, debido a su comportamiento elástico, descomponen dicha fuerza a lo largo de arcos o curvas orientadas perpendicularmente a la línea de tensión medial. La placa neural adopta la forma de dichos arcos y se pliega. Este efecto puede ser apreciado por una experiencia simple: se sugiere al lector que tense una lámina elástica generando una tracción sobre ella. A lo largo de la línea de tensión se generará un surco (corresponde al surco medial de la placa); lateralmente a éste se formarán dos pliegues (corresponden a los pliegues neurales); 3) debido a la acción de estas dos fuerzas, los bordes de la placa se elevan, dejan de estar en contacto con el mesodermo paraxil y ello permite que la superficie basal de la placa neural realice interacciones de adhesión directa con la superficie basal del ectodermo epidérmico (Fig. SC 9-1-1 C-D). Estas interacciones generan fuerzas de adhesión intersuperficiales que contribuyen a acentuar los pliegues neurales que entonces sobresalen hacia el dorso. Si se cultivan pequeños trozos del borde de la placa neural que contienen la zona de transición y el ectodermo epidérmico, ambos se adosan fuertemente y forman pliegues similares a los pliegues neurales. - El acercamiento de los pliegues neurales hacia la línea media podría ser consecuencia de la operación de tres conjuntos de fuerza: 1) el incremento en la adhesión entre las dos hojas que forman cada pliegue neural hace que aumente la superficie de contacto entre ambas y que los bordes libres de cada pliegue se curven hacia la línea media (Fig. SC 9-1-1 D); 2) en las regiones laterales de la placa, promovidas por el contacto con el ectodermo epidérmico, se generan, a cada lado, cambios de forma celular que producen el mismo efecto descrito en la bisagra medial. Estas dos regiones se denominan “bisagras laterales” (Fig. SC 9-1-1 D); ellas generan fuerzas que curvan el borde libre del pliegue hacia la línea media; 3) los dos efectos descritos sólo son efectivos porque el surco medial de la placa se mantiene fuertemente unido en profundidad a la notocorda que sigue operando como elemento rígido (Fig. SC 9-1-1 D-G). La interacción con la notocorda hace que la línea media de la placa quede adherida profundamente en la línea media ventral; simultáneamente las fuerzas de adhesión entre las superficies basales de la placa neural y del ectodermo epidérmico y las bisagras laterales hacen que los pliegues se aproximen a la línea media dorsal (Fig. SC 9-1-1 D-E). Por otro lado, estos efectos son posibles debido http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg que el resto del ectodermo epidérmico en este momento se comporta como un material viscoso, se acomoda a las tracciones generadas sobre toda la superficie corporal, se distiende fácilmente y las tracciones desaparecen. - Una vez que los labios del surco neural contactan en la línea media, ellos se adosan fuertemente (Fig. SC 9-1-1 E-F). En la zona de contacto, el epitelio se desestabiliza debido a cambios en las propiedades de adhesión de las tres poblaciones celulares que se localizan en los bordes que contactan (células de la placa neural, de la cresta neural y del ectodermo epidérmico). Mientras las células de la placa neural expresan E-cadherinas, su continuidad con el ectodermo epidérmico se mantiene estabilizada. A medida que los bordes de los pliegues neurales se aproximan hacia la línea media, las células de la placa neural cambian sus propiedades de adhesión. Cesa la síntesis de E-cadherinas e inician la expresión de N- cadherinas y N-CAM. Esto desestabiliza la zona de continuidad de los epitelios y se produce un fenómeno de segregación y reagregación por adhesividad diferencial. De esa forma, las células de los bordes derecho e izquierdo de la placa neural se desprenden del ectodermo epidérmico y se fusionan entre sí (Fig. SC 9-1-1 F-G). - Este proceso de desagregación y reagregación de los epitelios está acompañado de una degradación de la membrana basal. Durante dicho proceso se pierde transitoriamente, en sitios localizados, la separación neta entre epitelio y mesénquima; las células de la cresta neural abandonan entonces el epitelio y se introducen en el compartimento mesenquimático (Fig. SC 9-1-1 F). Una vez que migran las células de la cresta neural se reconstruye, en la línea media dorsal, la continuidad entre los bordes derecho e izquierdo del ectodermo epidérmico (Fig. SC 9-1-1 F-G). De esta forma, el ectodermo epidérmico cubre la superficie dorsal (este ectodermo genera señales que tienen importante influencia en el desarrollo ulterior de la cresta neural y el tubo neural) y se constituye el tubo neural que queda cubierto por el ectodermo. Entre ambos quedan las células de la cresta neural. En la región cefálica las células de la cresta neural abandonan el epitelio antes que se cierre el tubo neural, en la región medular lo hacen recién cuando los labios derecho e izquierdo se fusionan. http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-1-1.jpg Fig. SC 9-1-1. Representación esquemática de los diversos cambios que llevan a la formación del tubo neural a partir de la invaginación de la placa neural. Durante dicho proceso se forman también la cresta neural y los segmentos bilaterales de cresta que llevan a la formación de los ganglios (espinales y craneales) de neuronas sensoriales primarias. - Finalmente, las células de la cresta neural migran lateralmente y se ubican a ambos lados del tubo neural. Mientras tanto, en los somitas del mesodermo paraxil, que quedan ubicados a ambos lados del tubo neural, se constituye el dermatomo. Una parte de las células del dermatomo migran medialmente entre el ectodermo epidérmico y el tubo neural y generan el mesénquima que contribuye a separarlos. Al mismo tiempo se refuerzan la membrana basal y la matriz extracelular subyacente a dichos epitelios. En dicho mesénquima, más tarde se introducen poblaciones de células del esclerotomo; éstas contribuyen a generar las cubiertas cartilaginosas y luego óseas que forman los huesos que delimitan el conducto raquídeo. En la región craneal dichos tejidos provienen del mesénquima cefálico que generan las propias células de la cresta neural. Puede apreciarse que el proceso descrito, aunque morfológicamente simple, resulta de muchos CCD que actúan en forma integrada en el tiempo y en el espacio. Los CCD más directamente implicados son el cambio de forma celular, la adhesividad intercelular diferencial, la proliferación diferencial y otros. Todos estos CCD dependen, a su vez, de procesos biomoleculares sincronizados en tiempo y espacio y que se regulan interactivamente entre las poblaciones celulares participantes. En teoría, las alteraciones en cualquiera de las moléculas involucradas en la ejecución o control de los CCD señalados pueden ocasionar alteraciones de la línea media dorsal denominadas genéricamente disrafias (véase Capítulo 9, Desarrollo del sistema nervioso). SC 9.2. Poblaciones celulares organizadoras (pcO) y la regionalización y determinación progresiva del tubo neural. V. Flores El inicio del desarrollo del sistema nervioso central está marcado por el efecto determinante ejercido por un conjunto de señales provenientes del organizador clásicamente denominado primario o nódulo de Hensen. Este efecto consiste en la determinación en sentido neural o “neuralización” y no implica, al parecer, ninguna especificación particular adicional (como por ejemplo regiones o categorías o tipos celulares básicos). Este fenómeno se produce antes de la gastrulación; cuando las células de la futura notocorda aún se encuentran en la hoja dorsal del embrión. Vale decir, es un efecto de señalización por medio de señales que difunden en el plano del epitelio dorsal del embrión o epiblasto. Se ha estimado que en algunas especies alrededor del 50% de las células epiblásticas experimentan neuralización. Las restantes células corresponderían al ectodermo epidérmico. Sin embargo, una parte de las células que ocupan la zona de transición entre los ectodermos neural y epidérmico se determina en sentido de cresta neural. Con respecto a la organización longitudinal o céfalo-caudal del tubo neural, el siguiente paso en la determinación progresiva de regiones corresponde a la especificación de los cerebros anterior, por un lado, y de cerebro posterior y médula espinal, por otro. En el principio de la gastrulación, el mesodermo precordal (prolongación cefálica) migra en sentido cefálico y se ubica por debajo del epiblasto neuralizado. Dicha región ectodérmica, que ya en el epiblasto pregastrular se encuentra cefálicamente al nódulo de Hensen, originará la región cefálica ensanchada de la placa neural. Ella formará el cerebro anterior o prosencéfalo y deriva en su totalidad del epiblasto neuralizado. La gastrulación continúa con la regresión del surco primitivo y, a medida que el nódulo de Hensen se desplaza en sentido caudal, va dejando una población de células delante de él. Algunas de ellas quedan en la superficie y forman la línea media de la placa neural (futura placa del piso). Las otras se invaginan debajo de las primeras y van formando la notocorda. Esta región de la placa se determina en cerebro posterior y médula por efecto de señales provenientes de la notocorda. Durante la gastrulación esta región de la placa, junto con la notocorda, crecen en sentido caudal. La región caudal de la placa tiene, en consecuencia, dos orígenes: a) la zona medial que contacta con la notocorda, junto con ésta, deriva de células del nódulo de Hensen y b) las zonas laterales de la placa derivan del epiblasto superficial. Las especificaciones que siguen, que agregan más detalles a la organización longitudinal del tubo neural, depende de la aparición de nuevas pCO. Las pcO mejor conocidas son la ANR (Anterior Neural Ridge: engrosamiento neural anterior), la ZLI (Zona LimitansIntratalámica: zona limitante intratalámica) y el IsO (Isthmic Organizer: organizador ístmico). Con el tiempo aparecen nuevas pcO involucradas en la subregionalización de las diferentes regiones. Aparte de estas existen pcO a lo largo de las zonas mediales dorsal y ventral del tubo neural que instalan el patterning dorsoventral del tubo neural. La ANR es una región semilunar engrosada que bordea cefálicamente a la placa neural, en el límite con el ectodermo epidérmico. La ANR genera señales que especifican los segmentos más cefálicos del prosencéfalo (p4-6). La ANR secreta laproteína señal Fgf-8 en respuesta a la cual las células de la zona más cefálica de la región prosencefálica expresan laproteína factor de transcripción Brain Factor 1 (BF1), que participa en al regulación de los CCD en dicha región. Hay indicios de que en la región prosencefálica de la placa neural existen dos zonas con diferente competencia. Las zonas cefálica y caudal de la región prosencefálica ofrecen diferentes respuestas a las proteínas señal Fgf-8 y Shh. En el límite entre ambas zonas se forma la ZLI, que corresponde a la frontera entre los prosómeros 2 y 3 (frontera p2/3). Con respecto a los derivados de estos segmentos prosencefálicos véase SC La metamerización del SNC. Más caudalmente se forma otra pcO, el IsO, en el límite entre el mesencéfalo y el posencéfalo. Esta pcO instala el patterningdel mesencéfalo y de los dos primeros segmentos posencefálicos (r1 y r2). El IsO instala dos gradientes decrecientes de morfógeno, uno en sentido cefálico y otro en sentido caudal. Ambos tienen su máximo en el IsO. El mesencefálico tiene su mínimo en el límite con el diencéfalo y organiza los CCD que ejecutan las células del mesencéfalo. El segundo gradiente posee un rango de alcance que llega sólo hasta el 2º segmento posencefálico o r2 y organiza los CCD de las células de dichos segmentos. El patterning de los restantes segmentos del posencéfalo y de los de la médula depende de la expresión de un patrón típico de genes Hox que asignan identidad de segmento. Fig. SC 9-2-1. El patterning céfalo-caudal del SNC. A. Esquema de vista dorsal de la placa neural. Se representan las poblaciones celulares organizadoras que instalan el patterning de varias http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/visor.aspx#MetamerizaciónSNC http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-2-1.jpg regiones del encéfalo y las moléculas señal que operan como morfógenos en este proceso. Se ilustran también las posibles regiones precursoras de diferentes grupos de neurómeros. B. Esquema de vista lateral de la región encefálica del embrión. Se representan las regiones del encéfalo, los centros organizadores, la distribución espacial de señales involucradas en el patterning y la ubicación de los neurómeros. Este esquema se ha construido a partir de datos de distribución de morfógenos en el SNC de embrión de ratón. Con respecto a la organización dorsoventral del tubo neural, también existen poblaciones celulares y señales organizadoras que los especifican y determinan. La organización típica de cada segmento del sistema nervioso comprende una población de neuronas periféricas (neuronas sensitivas o sensoriales primarias o aferentes) y dos poblaciones de neuronas centrales, una de neuronas de asociación y una de neuronas eferentes (motoras). Esta organización también se especifica tempranamente durante el inicio del desarrollo. Mientras se cierra el tubo neural, se genera la población de células de la cresta neural que originarán, entre otros tipos celulares, a las neuronas sensoriales primarias de los ganglios sensitivos de los nervios craneales y raquídeos. Con respecto a las neuronas intrínsecas del tubo neural, ellas adquieren carácter de neuronas de asociación o eferentes dependiendo de la posición que ocupan entre las líneas medias dorsal y ventral del tubo. El ectodermo epidérmico de la zona medial dorsal y la notocorda, en la zona medial ventral del tubo, generan señales difusibles que especifican el carácter asociativo (placa alar) o eferente (placa basal) de las neuronas del tubo neural. Estasproteínas señal (BMP4, BMP7, Dorsalin, Sonic hedgehog y otras) operan paracrinamente. Se distribuyen en forma de gradientes con un máximo en el sitio en el que son secretadas y un mínimo en la zona opuesta. Poseen acciones antagónicas y el efecto final sobre las neuronas depende de la concentración relativa de ambas señales en el sitio en el que cada neurona se encuentre. Así, el destino de cada neurona, como alar (asociativa) o basal (eferente), depende de su posición dentro de un par de gradientes cruzados de señales con efectos opuestos (Fig. SC 9-2-1 A). Estas señales proveen un grado de especificidad aún mayor que el correspondiente a la organización de las neuronas en las placas alares y basales. Ambas placas tienen organización columnar con diferentes subtipos de neuronas. Las diferentes combinaciones de valores de concentraciones relativas de ambas señales, actuando a través de sus vías de señalización, generarían la expresión de http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-2-1.jpg diferentes combinaciones de factores de transcripción. De estas diferentes combinaciones de factores de transcripción dependería también la especificación de cada uno de los subtipos de neuronas de ambas placas (Fig. SC 9-2-2 A-C). Fig. SC 9-2-2. Representación esquemática del patterning transversal (dorsoventral) de la médula espinal. A. El tubo neural recibe señales de poblaciones celulares vecinas (ectodermo, somitas, notocorda). Un gradiente D V de señales originadas en el ectodermo y la placa del techo (Wnt, Bmp y otros) determina a las células troncales neurales pluripotentes en sentido alar e instala un proceso de determinación de tipo neuronal dependiente de la posición en la placa alar. Un gradiente V D de señales originadas en la notocorda y la placa del piso (Shh) determina a las células troncales neurales pluripotentes en sentido basal e instala un proceso de determinación de tipo neuronal dependiente de la posición en la placa basal. B. La diferente posición de las células troncales neurales pluripontes dentro de los gradientes indicados hace que éstas se hallen sometidas a diferentes concentraciones de morfógenos que promueven la expresión de diferentes combinatorias de factores de transcripción a lo largo del eje dorso-ventral del tubo neural. C. Cada combinatoria de factores de transcripción especifica un tipo neuronal definido, con una posición característica dentro de ambas placas. De este modo se produce un proceso de determinación de tipo neuronal espacialmente organizado. Dp: cTNP dorsales, Vp: cTNP ventrales, pMN: cNT precursora de neurona motora, RA: ácido retinoico. SC 9.3. La metamerización del SNC. V. Flores http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-2-2.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-2-2.jpg A la regionalización y subregionalización del tubo neural le sigue el proceso de metamerización. Este fenómeno agrega un mayor grado de detalle y especialización en la organización céfalo-caudal del SNC. En el SNC se forma una metámera para cada segmento corporal. Cada metámera es capaz de formar las categorías neuronales básicas que inervan una metámera o segmento corporal. La metamerización consiste en la definición de bloques o poblaciones celulares con organización simétrica bilateral que se reiteran a lo largo del eje céfalo-caudal. Aunque son estructuralmente similares, cada segmento es único y posee identidad. Ésta le es asignada por la expresión de una combinatoria particular de factores de transcripción que operan durante el desarrollo embrionario y que tienen específicamente dicha función. La metamerización acontece en cada una de las regiones y subregiones definidas a lo largo del eje céfalo-caudal. La designación genérica para los segmentos del tubo neural es el de “neurómeros”. La designación genérica correspondiente a cada región es la de prosómero (segmento prosencefálico), mesómero (segmento mesencefálico), rombómero (segmento posencefálico) y medulómero o mielómero (segmento medular). Sin embargo, dado que cada segmento posee identidad (es único), cada uno de ellos posee una denominación propia que está integrada por tres elementos: a) un prefijo que alude a la región a la que pertenece, b) la raíz “mero” (que alude a metámera) y c) un número ordinal que alude a su orden de aparición en la región o, lo que es lo mismo, la ubicación espacial que le corresponde, en su región, a lo largo del eje céfalo-caudal. El modo como se ordenan estos tres elementos en la designación de la metámera depende del idioma que se utilice, pero en cualquier idioma está compuesto por los tres elementos. Así, por ejemplo, el tercer segmento que aparece en el prosencéfalo se denomina “prosómero 3º” o “tercer prosómero”. El concepto de organización segmentaria del sistema nervioso central es clásico. Tal idea permitió aclarar la existencia de correspondencias entre: (a) “sitios de origen de las neuronas motoras” y “grupos musculares que inervan”, y (b)“regiones de inervación sensorial” y “segmentos medulares”.Tales correspondencias anatómicas y funcionales resultan del hecho de que a) durante el desarrollo embrionario, somitas (que forman músculos esqueléticos y dermis), segmentos del SNC y segmentos de células de la cresta neural poseen correspondencia espacial muy precisa y b) ellas se conservan, aunque a veces en forma enmascarada, en el adulto. Clásicamente, la definición de segmentos en el tubo neural en desarrollo tuvo bases estructurales; se basó en que, al igual que los somitas, los rombómeros y los medulómeros son identificables morfológicamente como poblaciones celulares con simetría bilateral, repetidas a la lo largo del eje céfalo-caudal. Esta definición estructural es aplicable sin dificultad en el cerebro posterior y los segmentos medulares. En las regiones más cefálicas las manifestaciones morfológicas de organización segmentaria son menos claras. Las regiones cefálicas del SNC recibieron clásicamente el nombre de estructuras suprasegmentarias. Una denominación eminentemente fisiológica, relacionada con el concepto de nivel de organización funcional. Alude a que, si bien los segmentos medulares pueden funcionar autónomamente, respondiendo en forma refleja a los estímulos provenientes del propio segmento corporal, en general no funcionan de esa forma sino en forma coordinada e integrada. En efecto, la mayor parte de los actos voluntarios de la vida son respuestas complejas que requieren el procesamiento e integración de información que ingresa en el sistema por múltiples vías. Tal capacidad de procesamiento, integración y elaboración de respuestas complejas no radica en los segmentos medulares sino en las regiones “superiores” del SNC. A dichas regiones se las denominaba suprasegmentarias debido a que, en el esquema de organización funcional del sistema, corresponden a un nivel de organización superior al de segmento. La identidad de cada segmento y, en consecuencia, el modo de desarrollo particular de cada uno de ellos está asociado a la expresión de una combinatoria particular de homeoproteínas factores de transcripción Hox. Diversos estudios de biología molecular sobre la distribución espacial de la expresión de estos factores de transcripción permiten una identificación de los segmentos aun antes de que la metamerización pueda ser apreciada morfológicamente. La información proveniente de estos estudios, integrada a estudios estructurales y de expresión de diversos marcadores, permite la identificación de 6 prosómeros, el cerebro medio (corresponde a un mesómero), 7-8 rombómeros y un número de mielómeros igual al número de segmentos corporales. Los prosómeros 1 a 3 forman parte del diencéfalo; los prosómeros 4 a 6 forman, en la región ventral, la porción anterior del piso del hipotálamo y, en la región lateral, originan el telencéfalo. Fig. SC 9-3-1. El patterning del SNC. La regionalización y la metamerización del tubo neural. Esquema de vista lateral de las regiones del tubo neural. Se representan las regiones del encéfalo, sus subregiones (proencéfalo, mesencéfalo y posencéfalo), la médula espinal y la ubicación de sus neurómeros. p: prosómero; r: rombómero; m: mielómero. SC 9.4. Las placas alares y basales. Su función de desarrollo. Su evolución diferencial en función del espacio (eje céfalo- caudal). V. Flores En los mamíferos existen tres categorías principales de neuronas tanto para el sistema nervioso de la vida de relación como para el de la vida vegetativa. En el caso del SN de la vida de relación dichas categorías de neuronas corresponden a a) las neuronas aferentes, b) las de asociación y c) las eferentes. a) Las neuronas aferentes o sensoriales primarias corresponden al SNP y se localizan en su mayor parte en los ganglios de los nervios craneales y raquídeos. Estas neuronas poseen un soma ubicado, en general, en un ganglio, una dendrita que conecta con un receptor periférico y un axón que ingresa en el SNC y que conecta con una neurona eferente y una o más neuronas de asociación (conexión monosináptica entre input y output) o conecta sólo con una o más neuronas de asociación (conexión polisináptica entre input y output). Esta categoría de neuronas deriva en su mayor parte de la cresta neural. Un grupo de estas neuronas se genera a partir de una población celular proliferativa de la línea media dorsal del tubo neural. b) las neuronas de asociación son intrínsecas del SNC y se ubican entre la neurona aferente y la eferente. Sus dendritas y axones se http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-3-1.jpg hallan dentro del SNC y forman todos los circuitos tanto de proyección como locales que existen en el SNC. Todos los circuitos neurales intrínsecos del SNC constituyen una gran red de interconexiones entre neuronas de asociación que se encargan de recibir información de las neuronas aferentes, procesar e integrar dicha información y elaborar respuestas que se transmiten a las neuronas eferentes. Esta categoría de neuronas se genera a partir de las células neuroepiteliales placas alares del tubo neural. c) Las neuronas eferentes son neuronas que poseen árbol dendrítico y soma en el SNC y un axón largo que emerge del SNC y, a través de un nervio periférico inerva un efector periférico, en general, muscular. Esta categoría de neuronas se genera a partir de las células neuroepiteliales de las placas basales del tubo neural. El número de neuronas y la complejidad estructural de los circuitos que se hallan a lo largo del eje céfalo-caudal varía en relación con la riqueza de la información que ingresa en el SNC y con la amplitud del campo periférico para inervar en cada región. Así, en el caso de la médula espinal, los engrosamientos cervical y lumbar de donde nacen los plexos braquial y crural son un ejemplo de mayor riqueza de inputs y de campos de inervación periféricos más amplios. Si bien los segmentos medulares tienen cierto grado de independencia funcional, aparte de la organización segmentaria (segmentos distribuidos a lo largo del eje céfalo-caudal), el SNC dispone también de estructuras denominadas clásicamente suprasegmentarias, formadas por neuronas de asociación o alares, que se encargan de organizar un comportamiento integrado de los segmentos (SC 9.2. Poblaciones celulares organizadoras (pcO) y la regionalización y determinación progresiva del tubo neural). A lo largo de la evolución filogenética de los cordados se produjo una concentración de funciones de recepción de estímulos ambientales y de procesamiento de dicha información en la región cefálica del embrión y del SNC. Dicho proceso implicó cambios significativos en los CCD del SNC, especialmente en la intensidad de la actividad proliferativa de las placas alares y basales. En efecto, el desarrollo de las neuronas de asociación generadas a partir de las placas alares se hizo mucho más intenso en las regiones cefálicas que en las caudales. Este fenómeno posibilitó el desarrollo de grandes poblaciones de neuronas que forman las estructuras de asociación de los hemisferios cerebelosos (a partir del posencéfalo) y los tubérculos cuadrigéminos (a partir del mesencéfalo), y también posibilitó el desarrollo, desde cefalocordados en adelante, de una gran estructura exclusivamente alar o asociativa, el telencéfalo. El http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/visor.aspx#Poblaciones_organizadoras http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/visor.aspx#Poblaciones_organizadoras desarrollo de la corteza cerebral y de los ganglios de la base contenidos en los hemisferios cerebrales depende exclusivamente del desarrollo de neuronas alares. El componente basal del tubo neural no se extiende en los cordados superiores hasta el extremo cefálico del tubo neural. Se extiende sólo hasta el mesencéfalo. En efecto, las neuronas eferentes (derivadas de placas basales) más cefálicas son las que corresponden al núcleo motor del III par craneal o motor ocular común. Desde dicho nivel, en sentido cefálico, no existen poblaciones neuronales eferentes. Este hecho se explica, desde el punto de vista ontogenético, por el hecho de que la región más cefálica de la placa neural, la que corresponde al prosencéfalo o cerebro anterior, se origina exclusivamente del epiblasto y que no posee en la línea media una placa del piso originada a partir del nódulo de Hensen. El nódulo de Hensen origina la notocorda y la placa del piso de la placa neural caudal al cerebro anterior. Dado que ambas estructuras –notocorda y placa del piso– están implicadas secuencialmente en la especificación de las placas basales, su ausencia en la región prosencefálica se acompaña de ausencia de placas basales y en consecuencia de neuronas eferentes, en la región del tubo neural derivada del prosencéfalo (Fig. SC 9-4-1 A-E). http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-4-1.jpg Fig. SC 9-4-1. Representación esquemática de proporciones relativas de poblaciones neuronales ventrales (basales) y dorsales (alares) en diversas regiones del neuroeje de un embrión humano de la 7ª SD. A. Vista lateral derecha del encéfalo y médula cervical. Las líneas de puntos B a E corresponden a los sitios en los que se realizaron las secciones ilustradas abajo. B-E. Secciones transversales del tubo neural. La línea roja corresponde al nivel del surco limitante que separa las regiones alar y basal en las secciones B a D. En el caso E la línea roja corresponde al nivel del surco hipotalámico que representa la continuación cefálica del surco limitante del mesencéfalo. B. Médula espinal cervical. C.Prosencéfalo. Dorsalmente a la línea roja se observan los labios rómbicos que originarán a los hemisferios cerebelosos. D. Mesencéfalo. La región alar originará los tubérculos http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-4-1.jpg cuadrigéminos. E. Prosencéfalo. La región dorsal originará los hemisferios cerebrales. Nótese que las diferencias en volumen y en número de neuronas entre las regiones alares y basales en la médula y en las estructuras suprasegmentarias se incrementará aún más en etapas más avanzadas del desarrollo SC 9.5. Origen y formación de la cresta neural. Determinación y migración temprana. V. Flores Las células de la cresta neural se originan en la hoja dorsal del embrión, en la zona de transición entre el ectodermo de la placa neural y el ectodermo epidérmico. Al parecer es necesaria la constitución de estas dos poblaciones celulares para que, interactivamente, generen a las células de la cresta. Si ambas poblaciones son cultivadas separadamente no se forman células de la cresta neural. Por el contrario, si ambas poblaciones están juntas e interactúan, a lo largo de la zona de contacto entre ambas se generan células de la cresta neural. Tanto la placa neural como el ectodermo epidérmico tienen la potencia para formar células de cresta neural. Durante el plegamiento y el crecimiento en longitud de la placa neural a lo largo de todo su borde se forman los pliegues o labios del surco neural. Dado que a lo largo de los pliegues neurales existe una fuerte adhesión entre las dos poblaciones celulares interactuantes, durante dicho proceso se siguen formando células de la cresta neural. Una vez generadas una cantidad abundante de estas células, cambian sus propiedades de adhesión respecto de la placa neural y del ectodermo epidérmico, se desprenden de dichos tejidos y abandonan el compartimento epitelial. En la región encefálica o craneal esta migración ocurre ya durante el cierre del tubo neural; en las regiones posóticas ocurre recién luego del cierre. Ya durante la formación de la placa neural se observa que, a lo largo del borde entre la placa y el ectodermo epidérmico, éste expresa y secreta las proteínas señal BMP4 y BMP7. Algunos consideran que estas proteínas tienen algún papel en la determinación de las células de la cresta neural. Otros le asignan un rol modelador de la forma de la placa neural. También se sabe que estas proteínas desempeñan un papel en el control de la migración temprana de las células de la cresta. Dado que las células de la cresta neural migran a lo largo de distancias considerables y que diversas subpoblaciones de células de la cresta migran a lo largo de diferentes trayectos, son muchas y variadas las señales que controlan la migración de estas células desde su sitio de origen hasta los varios y disímiles sitios de localización definitiva. Se ha propuesto que el inicio de la migración se asocia a la pérdida de la adhesión de estas células respecto de las otras que componen el epitelio. Esta adhesividad está mediada, por un lado, por moléculas de adhesión celular como la proteína de membrana N-cadherina y también por la existencia de zónulas occludens entre ellas. El inicio de la migración se asocia al cese de la síntesis de N-cadherina y al desensamblado de las uniones estrechas. El estado ensamblado de estas uniones depende de factores que las estabilizan y otros que los desestabilizan. La transformación del fenotipo epitelial al de cresta neural requiere la expresión de los factores de transcripción (tipo dedos de zinc) Snail y Slug. Algunos autores asignan a estos factores un papel en la determinación de las células de la cresta neural, aunque otros consideran que poseen un papel más general pues comúnmente se expresarían en todos los procesos que involucran una transformación epitelio-mesenquimática (SC 0.19 Transiciones reversibles mesenquimático-epitelial y epitelio-mesenquimática. CMD involucrados en su regulación). Ambas proteínas actúan como represores de la transcripción de las proteínas de adhesión E- cadherina que participan en la unión entre células epiteliales y, en consecuencia, desencadenan transiciones epitelio- mesenquimáticas. La proteína Slug participa en el inicio de la migración activando a ciertos factores que desestabilizan a los complejos de unión (desmosomas, uniones estrechas.,etc.). Estas uniones se desensamblan y las células adquieren la posibilidad de migrar. Esto sin embargo no es suficiente para la migración. También interviene la proteína de señalización celular Rho B, que participaría en la reorganización del citoesqueleto necesaria para la migración. Ambas proteínas, la Rho B y la Slug son necesarias para la migración. Ambas proteínas son expresadas por las células de la cresta neural cuando son sometidas a la acción de las proteínas BMP4 y BMP7. Todos estos procesos habilitan a las células de la cresta neural a abandonar el epitelio, a introducirse en el compartimento mesenquimático y disponerse longitudinalmente a lo largo de la línea media dorsal entre el ectodermo epidérmico y el tubo neural. Desde ese momento en adelante, otro conjunto de interacciones con la matriz extracelular del entorno guían a las células de la cresta neural hacia diversos lugares y además posibilitan que las células de la cresta adquieran organización metamérica (SC Factores que controlan la migración de las células de la cresta neural). http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/resource.aspx?file=/cap/1/0sc.html#MET_TEM http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/resource.aspx?file=/cap/1/0sc.html#MET_TEM http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/resource.aspx?file=/cap/1/0sc.html#MET_TEM http://semin-bioldes-vf.com/ http://semin-bioldes-vf.com/ Fig. SC 9-5-1. Esquema de los fenómenos de señalización y comportamientos moleculares involucrados en la transición epitelio- mesenquimática durante la formación e inicio de la migración de las células de la cresta neural. SC 9.6. Regionalización de la cresta neural. V. Flores http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-5-1.jpg La cresta neural es la población celular que transitoriamente, durante el período somítico, ocupa la región dorsal del embrión entre el tubo neural y el ectodermo epidérmico. No es una población celular homogénea. Por un lado, es la población celular embrionaria precursora del sistema nervioso periférico: genera las neuronas y células gliales de los ganglios y plexos del sistema nervioso de la vida de relación y del sistema nervioso autónomo (vegetativo). Por otro lado, es capaz de originar una variedad de tipos celulares no neurales que también están vinculados a la vida de relación o la vegetativa. La categorización regional más básica que puede realizarse respecto de las células de la cresta neural se refiere a la existencia de una cresta neural craneal (cráneo-facial, preótica o preoccipital) y una cresta neural troncal (posótica o posoccipital). Esta categorización tiene bases estructurales y funcionales y también bases filogenéticas y ontogenéticas. En el adulto existen significativas diferencias estructurales y funcionales entre las neuronas derivadas de las crestas neurales craneal y troncal. La primera genera las neuronas encargadas de la inervación denominada especial. Ésta corresponde a todas las estructuras derivadas de la región branquial (véase Capítulo 9, Desarrollo del sistema nervioso). Este tipo de inervación está ausente en la región troncal del organismo. Desde el punto de vista ontogenético también existen diferencias significativas entre las propiedades de desarrollo de ambas regiones. Se considera que estas diferencias encuentran su explicación en la evolución filogenética. Se propone que, desde la aparición de los procordados en adelante, los estímulos ambientales han constituido una presión selectiva muy importante en la modelación del extremo cefálico de los vertebrados (cordados superiores). Ello ha hecho que se seleccione un conjunto diferente de estrategias de desarrollo para las células que elaboran el fenotipo de esta nueva región corporal que aparece recién en los vertebrados (SC 13.1 La cefalización. La hipótesis de la nueva cabeza. La aparición y evolución de la cresta neural craneal). La cresta neural craneal, también denominada cefálica, preótica o preoccipital, corresponde a los segmentos más cefálicos que se extienden desde el diencéfalo hasta el extremo caudal del posencéfalo. Constituye una adquisición evolutiva relativamente reciente. En rigor en dicha región existe una región estrictamente preótica que origina la cara y parte del cuello, hasta la r5 y una región posótica correspondiente a r6 a r8 (SC El patterning de la cresta neural craneal. Regiones Hox(+) y Hox(-). Su relevancia filogenética y sus funciones de desarrollo). http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/resource.aspx?file=/cap/13/sc13.html#cefalización http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/resource.aspx?file=/cap/13/sc13.html#cefalización http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/resource.aspx?file=/cap/13/sc13.html#cefalización http://semin-bioldes-vf.com/ http://semin-bioldes-vf.com/ http://semin-bioldes-vf.com/ La cresta neural troncal se extiende desde el extremo caudal del posencéfalo hasta el extremo caudal del tubo neural. Posee varias regiones, localizadas a lo largo de segmentos corporales definidos, que exhiben diferentes propiedades de desarrollo y, de acuerdo con ello, reciben diferentes designaciones. Estas designaciones cambian dependiendo de las subpoblaciones celulares y tipos de derivados que se consideren, por ejemplo, si aluden a células que invaden la somatopleura (vida de relación) o invaden la esplacnopleura (vida vegetativa). Las células de cresta neural vinculadas a la vida de relación se distribuyen a lo largo del todo el tronco y reciben simplemente el nombre de cresta neural troncal. Las células de esta población siguen una de dos vías migratorias preferenciales: a) una en sentido dorsolateral y otra b) en sentido ventral. La primera es seguida por las células precursoras de melanocitos que migran sobre el dermatomo y luego invaden la somatopleura. La segunda es seguida por el resto de las células de la cresta neural, correspondientes a la vida de relación, y lo hacen bordeando la superficie de la mitad cefálica de cada esclerotomo (SC Factores que controlan la migración de las células de la cresta neural). Las células que se detienen en ese lugar originan las neuronas sensoriales primarias y las células gliales de los ganglios espinales y las células de Schwann de los nervios sensitivos y motores que invaden la somatopleura. Este conjunto de segmentos de crestas neurales, dado que sus células se distribuyen a lo largo de todo el tronco, suelen recibir el nombre de crestas neurales troncales. Esta población celular adopta el patrón metamérico impuesto por el mesodermo paraxil y, al igual que los somitas, están distribuidos en las siguientes regiones: cervical, torácica, lumbar y sacra. Con respecto a las subpoblaciones de células de cresta neural que generan el sistema nervioso periférico vegetativo, las crestas neurales troncales poseen una regionalización diferente: existen segmentos de crestas neurales que originan las neuronas del sistema simpático y otros que originan las del sistema parasimpático. Incluidos entre estos últimos se encuentran algunos segmentos de cresta neural que se denominan “cardíacos”. La cresta neural simpática. Se extiende desde los segmentos cervicales hasta los lumbares. Estas células no se detienen a ambos lados del tubo neural. Se desplazan en sentido ventral y forman, por delante del esclerotomo, los ganglios de las cadenas simpáticas laterovertebrales cervicales y toracolumbares. Algunas células que migran más ventralmente llegan al plano de los grandes vasos y http://semin-bioldes-vf.com/ http://semin-bioldes-vf.com/ forman un conjunto de plexos y ganglios periaórticos. Las que corresponden a los segmentos 14 a 21 (T6 a L1) migran más ventralmente aún y allí forman las células argentafines o cromafines de la médula adrenal. Las crestas neurales parasimpáticas. Tienen una distribución discontinua a lo largo del eje céfalo-caudal. La cresta neural vagal se ubica en los segmentos corporales 1º al 7º. Las células de estos segmentos migran ventralmente e invaden el mesénquima de la esplacnopleura. Forman las neuronas parasimpáticas de los plexos de Meissner y Auerbach a lo largo de todas las regiones del tubo digestivo derivadas del intestino primitivo (desde el esófago hasta el recto). La cresta neural sacrase extiende desde el segmento 28º al extremo caudal. Estos segmentos generan células que migran similarmente a las vagales e invaden las regiones del tubo digestivo caudales al pedículo vitelino. La porción cefálica de la cresta vagal, correspondiente a los segmentos 1º al 3º, reciben también el nombre de cresta neural cardíaca. Ellas generan células que migran ventralmente a ambos lados de la faringe y siguiendo el trayecto de los arcos aórticos (principalmente 3º y 4º) llegan hasta el corazón, se introducen profundamente y forman el tejido conectivo del tabique troncoconal del corazón. También originan células de los tejidos conectivo y muscular de las grandes vasos (arterias aorta y pulmonar) en la zona proximal al corazón. Algunas de estas células, que forman el mesénquima de los arcos branquiales, generan estructuras conectivas, cartilaginosas y óseas de la cara, oído, cuello, etcétera. Fig. SC 9-6-1. Ilustra esquemáticamente las regiones y subregiones de la cresta neural, sus sitios de origen y de destino. A. Embrión de pollo (Período somítico). B.Embrión humano (Quinta semana de desarrollo). SC 9.7. La remodelación de circuitos dependiente de la actividad espontánea durante el desarrollo embrionario y el refinamiento de circuitos dependiente de la estimulación ambiental posnatal. V. Flores En general, cuando los axones aferentes a una región acceden a las cercanías de sus blancos potenciales, o incluso antes, emiten ramificaciones delgadas por medio de las cuales pueden establecer contactos lábiles transitorios con las neuronas del entorno que encuentran a su paso. Se considera que estas prolongaciones delgadas son ramas exploradoras cuya función es la búsqueda de blancos potenciales con las que, eventualmente, generar contactos estables. Podrá advertirse que si todos los axones se comportan de esa forma, en cualquier región considerada, habrá un exceso de ramificaciones con respecto al número de axones. Correspondientemente, cada neurona blanco recibirá un exceso de ramas y de contactos transitorios. Esta fase transitoria de “sobreinervación” o de “redundancia de contactos” lábiles es seguida luego de una fase de “eliminación de la http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-6-1.jpg redundancia”. En general se considera que la eliminación de algunos contactos transitorios y el mantenimiento de otros es consecuencia de fenómenos de competición entre axones respecto de sus neuronas blanco. La fase de eliminación de contactos redundantes, depende esencialmente del inicio del funcionamiento del sistema y se funda en el hecho de que los axones, por un lado, compiten entre sí por sus neuronas blanco y, por otro, cooperan entre sí y se refuerzan mutuamente. La eliminación o, por el contrario, la estabilización y el mantenimiento de una sinapsis lábil es el resultado neto de varios tipos de interacciones que se ponen en marcha una vez que se inicia el funcionamiento del sistema. En consecuencia, dependiendo del grado de maduración y diferenciación de un circuito y de la fase en la que éste se encuentra es posible distinguir al menos dos etapas diferentes de distinto significado biológico. La primera fase se denomina habitualmente “remodelación de circuitos dependiente de la actividad espontánea” y se produce durante el desarrollo embrionario cuando en el sistema empiezan a funcionar espontáneamente las neuronas y producen fenómenos de estimulación de las neuronas a las que inervan. La segunda fase se denomina “refinamiento de circuitos dependiente de la estimulación ambiental” y es el resultado de la activación de neuronas como consecuencia del ingreso de información proveniente de la estimulación ambiental posnatal. Remodelación de circuitos dependiente de la actividad espontánea de las neuronas en desarrollo. La mayor parte de las neuronas inician y “ensayan” una actividad espontánea cuando llegan a un cierto grado de diferenciación durante el desarrollo prenatal. El inicio de la actividad espontánea y de la transmisión sináptica posibilita que nuevos factores entren en juego con respecto a la evolución y el mantenimiento de contactos previamente establecidos. En este sentido es importante la “afinidad” funcional entre neurona inervante e inervada, ya que no todas las sinapsis que llegan a una zona y contactan con una neurona funcionan en forma similar. El funcionamiento de las sinapsis, y su efecto sobre las neuronas a las que inervan, depende estrechamente del patrón de descargas (frecuencia de pulsos, frecuencia de trenes de descarga y duración de trenes) y de la respuesta de la neurona postsináptica a tal actividad. Esto es así debido a que el resultado de la actividad sináptica no es sólo la transmisión neural; la sinapsis es también lugar de inicio de muchas vías de señalización intracelular que repercuten globalmente en el funcionamiento de la neurona postsináptica. Por dicho motivo, el tipo de estimulación que una neurona recibe a través de una sinapsis puede facilitar o aumentar su funcionamiento y derivar en su reforzamiento y estabilización o, por el contrario, producir efectos opuestos que pueden desestabilizarla hasta el punto de que no es mantenida. En este caso el contacto se pierde, la sinapsis desaparece y ello puede ser seguido de la retracción de la fibra presináptica. Un factor importante que hace al mantenimiento cooperativo entre sinapsis es la coincidencia temporoespacial. Ello significa que, si un par de sinapsis que poseen similar patrón de descargas se hallan en la misma zona (o en la misma neurona postsináptica) y además descargan simultáneamente, entonces ambas reciben el efecto beneficioso de las señales provenientes de la postsinapsis y tienden a estabilizarse. Las sinapsis cuyos funcionamientos no coinciden temporalmente carecen de este efecto cooperativo; el resultado es la competición y su consecuencia, el mantenimiento de una y la eliminación de otra. Por los motivos expuestos, ocurre que, una vez remodelado el mapa crudo, las neuronas que poseen similar patrón de descarga en general terminan juntas; recíprocamente, las sinapsis con patrones de descarga diferentes en general se hallan separadas. Cuanto más similares más cerca, y cuando más diferentes, más lejos. Sobre la base de estos principios se produce la remodelación de los mapas de proyección crudos. Como puede apreciarse, se trata de un ordenamiento al cual se arriba como consecuencia de un proceso de autoensamblado o autoorganización regido exclusivamente por interacciones locales. No existen factores organizantes externos a los propios elementos interactuantes. Ésta es una característica típica de los sistemas de comportamientos complejos autoorganizables. Refinamiento de circuitos dependiente de la actividad neuronal resultante de la estimulación ambiental. En el momento del nacimiento, las neuronas del SNC y los receptores periféricos no están terminalmente diferenciados. La diferenciación terminal y su estabilización incluyen modificaciones promovidas por la estimulación ambiental posnatal. Los patrones de estimulación de los receptores periféricos luego del nacimiento son bastante más complejos que los prenatales ya que los estímulos del mundo externo son bastante más ricos, complejos y cambiantes que los que se podrían recibir durante el desarrollo embrionario. Ello se debe a que, para cualquier tipo de estimulación que se considere (visual, auditiva, táctil, etc.), la estimulación ambiental es permanentemente cambiante, en función del tiempo. Por otro lado, para un instante dado, las propiedades de la estimulación ambiental cambian en función de la posición dentro del campo receptivo. Así, se suele decir que la estimulación ambiental, para cualquiera de sus modalidades (visión, audición, equilibrio, etc.) posee “patrón”, vale decir, posee organización temporal y espacial. Tal organización y complejidad requieren capacidades de recepción, conducción y procesamiento de la información bastante más complejas y eficaces que los que permiten la organización estructural y el régimen de funcionamiento del sistema antes del nacimiento. Debido a todos los hechos mencionados, un apropiado funcionamiento del sistema luego del nacimiento requiere una nueva adaptación de éste a las condiciones y las características de los estímulos del mundo que permitan su recepción, conducción, transmisión, procesamiento e integración. Así, el sistema adapta su organización tanto funcional como estructural a las características y complejidad de la información para procesar durante la vida posnatal. Debe notarse que existe una correlación estrecha entre el grado de desarrollo de los sistemas nerviosos de diferentes especies, la complejidad de su relación con el medio y la complejidad de sus relaciones sociales. Cuanto mayor es la organización y complejidad social y cuanto mayor es la complejidad de los medios de comunicación que utilizan, mayor es la complejidad del SNC y mayor es la extensión del período de desarrollo posnatal del sistema. Los cambios conductuales observables, en la mayor parte de las especies, desde el nacimiento a la adultez tienen como correlato cambios en la organización de los circuitos involucrados en la ejecución de dichas conductas. La mayor parte de los cambios posnatales de dichos circuitos son promovidos por las características de la estimulación ambiental y, por ello, denominados “refinamiento de circuitos dependiente de la estimulación ambiental”. Se trata de una “sintonía fina” que ajusta las características y “detalles” funcionales de los circuitos a las características de la estimulación ambiental que debe procesar. SC 9.8. La fase proliferativa del desarrollo del SNC. Subfases y tipos de proliferación celular durante la neuronogénesis y gliogénesis. V. Flores Completadas las etapas iniciales de a) inducción neural, b) patterning de la placa neural, c) cierre del tubo neural, se inicia la fase proliferativa del neuroepitelio. Se trata de un período de intensa actividad proliferativa que consta de varias fases caracterizadas por diferentes tipos de proliferación. En una primera fase, la población de células troncales neurales pluripotentes (cTNp) se amplifica, el neuroepitelio se expande planarmente y el tubo neural aumenta su tamaño tanto en longitud como en su sección transversal. En fases subsiguientes se ponen en marcha diferentes tipos de proliferación por medio de las cuales se generan neurona y células gliales. Este período del desarrollo también se caracteriza por el hecho de que, dentro del marco provisto por el patterning inicial de la placa neural, se constituyen nuevas pcO que proveen de nuevos marcos de referencia temporoespacial a las poblaciones celulares que van surgiendo durante la fase proliferativa (Véase SC El patterning del sistema nervioso central II. La aparición de centros señalizadores o poblaciones celulares organizadoras (pcO) secundarias y la regionalización del encéfalo y la médula). La actividad proliferativa se cumple con peculiaridades temporales y espaciales que generan diferencias estructurales y funcionales entre regiones o áreas específicas del SNC. En términos generales, la fase proliferativa posee subfases y en cada una de ellas predomina un tipo particular de división celular. a) Durante la subfase más temprana, las células neuroepiteliales o células troncales neurales pluripotenciales (cTNp) realizan un tipo de mitosis denominada división simétrica inicial. En este caso, la cTNp al dividirse origina dos cTNp. Este tipo de proliferación tiene como función expandir la población de cTNp y aumentar en el plano tangencial la extensión del neuroepitelio (Fig. SC 9-8-1 A). Esta modalidad de mitosis, en general, corresponde a la que realizan las células neuroepiteliales presentes durante la etapa temprana del desarrollo y durante la subfase neuronogénica directa. Cuando se inicia la neurogénesis, en general, las células neuroepiteliales evolucionan hacia otro tipo celular, denominada glía radial, que también se comporta como cTN pero en general con una potencia más restringida. b) La siguiente fase se denomina de división asimétrica neuronogénica directa. En este caso, la cTNp origina una cTNp y una célula de estirpe neuronal. Ésta abandona el ciclo proliferativo y debido a ello se denomina posmitótica Fig. SC 9-8-1 B). La célula resultante de este tipo de división se denomina neurona joven http://semin-bioldes-vf.com/ http://semin-bioldes-vf.com/ http://semin-bioldes-vf.com/ http://semin-bioldes-vf.com/ http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-8-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-8-1.jpg posmitótica-premigratoria. Esta modalidad de proliferación mantiene constante el número de cTN y genera una neurona en cada ciclo de división de la cTN. Una cTN origina tantas neuronas como ciclos realiza. El orden temporal de aparición de nuevas neuronas, con la migración ulterior, se transforma en un orden espacial a lo largo del eje radial de la pared del tubo neural (Fig. SC 9-8-1 B). Como, en este caso, la neurona se origina directamente de la división de una cNTp, el proceso se denomina neuronogénesis directa. Este tipo de divisiones corresponde a las más tempranas de la fase neuronogénica y en general se forman macroneuronas que constituyen las eferencias de la región. c) Más tarde se producen mitosis denominadas división asimétrica neuronogénica indirecta. Se trata de un proceso más complejo en el que la cTNp origina una célula similar y una célula de estirpe neuronal con capacidad proliferativa. Esta célula se denomina progenitor intermedio amplificador neuronogénico (o neuroprogenitor intermedio amplificador). En general, los progenitores intermedios amplificadores son premigratorios y se acumulan formando una zona adicional en el neuroepitelio denominada zona subventricular. La función del neuroprogenitor intermedio es amplificar algunos tipos neuronales en particular. A partir de un neuroprogenitor amplificador se generan varias células del mismo tipo. La amplificación producida depende de cuántos ciclos proliferativos cumple el progenitor intermedio antes de diferenciarse en una neurona posmitótica premigratoria. Este modo de proliferación en general da origen a neuronas de circuitos locales de áreas superiores del SNC. http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-8-1.jpg Fig. SC 9-8-1. Modalidades de proliferación celular propuestas para explicar la corticogénesis en mamíferos (Modelo experimental: ratón). A. División simétrica inicial o expansiva. Aumenta el número de cTNp y se expande el neuroepitelio. B.División asimétrica neuronogénica directa. Mantiene constante el número de cTNp y genera una neurona en cada ciclo de división de la cTNp. La numeración indica el orden temporal de generación de nuevas neuronas. C-D. División asimétrica neuronogénica indirecta. La cTNp http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-8-1.jpg origina, en cada ciclo, un progenitor intermedio amplificador cuya función es aumentar la población de un tipo neuronal en particular. (C con un ciclo; D con dos ciclos). La numeración indica el orden temporal de generación de nuevas neuronas. Flechas horizontales: expansión planar del neuroepitelio; flechas verticales: expansión del eje radial. Modificado de Kriegstein y cols., Nature Review Neuroscience 2006. Este modelo propone que, en ambos casos de neuronogénesis (directa e indirecta), las células que poseen fechas de nacimiento similares realizan similares procesos de migración y, en consecuencia, terminan integrando la misma capa de la corteza. El modelo también propone que las neuronas que sucesivamente (en función del tiempo) son generadas en la misma zona de la membrana limitante interna, dado el orden que impone la glía radial a la migración radial gliofílica, terminan ocupando distintas posiciones a lo largo de una columna cortical. --En general, las células gliales aparecen más tarde que las neuronales y se forman por división asimétrica gliogénica. En este caso también, en algunas especies, se han descrito progenitores intermedios amplificadores gliogénicos. --El final de cada uno de estos tipos de proliferación se caracteriza por divisiones simétricas terminales. Tanto células NE como progenitores intermedios (neuronogénicos y gliogénicos) originan al final dos células posmitóticas similares. En el caso de la célula NE se originan dos células ependimarias. Es de destacar que en algunas regiones definidas de los hemisferios cerebrales algunas cTNp se mantienen durante la vida y pueden producir procesos de neuronogénesis y gliogénesis posnatal. Sirven al efecto de facilitar el recambio de algunas neuronas que entran en apoptosis y facilitan los procesos de remodelación de circuitos vinculados a procesos de aprendizaje que ocurren en etapas posnatales. SC 9.9. La fase migratoria del desarrollo del SNC I. Tipos de comportamientos migratorios. La translocación del soma. V. Flores Clásicamente se consideraba que la fase de migración del SNC en desarrollo se caracterizaba sólo, o principalmente, por un desplazamiento radial de las neuronas posmitóticas. En la actualidad se sabe que el comportamiento migratorio es bastante más versátil, que existen varios diferentes tipos de desplazamientos y que ello depende de las regiones que se consideren y/o de los tipos neuronales que se analicen. Para cada región del SNC, luego del pico de la fase proliferativa, se inicia la fase migratoria de las neuronas posmitóticas. Toda la superficie interna del tubo neural, la zona de generación (ZG) puede ser considerada un gran centro proliferativo. La zona ventricular (ZV), donde se producen las mitosis de las células neuroepiteliales, y la zona subventricular (ZsV), donde proliferan los progenitores intermedios, constituyen la ZG del neuroepitelio. En la ZG nacen todas las neuronas y células gliales del SNC, permancen allí durante un tiempo como células premigratorias y luego se desplazan a ocupar lugares definidos del plano tangencial del neuroepitelio y posiciones definidas a lo largo de su eje radial. Estos lugares y posiciones dependen del lugar y fecha de nacimiento de cada cohorte de neuronas y células gliales. Se describen dos tipos genéricos de migración neuronal posmitótica: a) la migración radial, coincidente con la orientación de las células neuroepiteliales (NE), o célula glía radial (GR) según el momento, extendidas entre ambas limitantes y b) lamigración tangencial, paralela a las membranas limitantes y al eje medio- lateral del neuroepitelio. La migración radial comprende dos tipos de desplazamientos: 1) La translocación del soma es un tipo de migración que ocurre, en general, durante la fase temprana del desarrollo, cuando la pared del tubo neural está formada por células NE, aún no es muy gruesa y las neuronas posmitóticas no deben realizar un largo desplazamiento radial. En el caso de la corticogénesis, la translocación del soma es el principal modo de migración durante la fase temprana en la que se constituye el patterning inicial o protomapa. En general, este modo de migración realizan las neuronas que nacen durante la fase inicial de proliferación neuronogénica directa que se diferencian en macroneuronas eferentes de cada región (SC 9.8. La fase proliferativa del desarrollo del SNC. Subfases y tipos de proliferación celular durante la neuronogénesis y gliogénesis). Este tipo de desplazamiento es, en general, realizado por neuronas posmitóticas que luego de la división de una célula NE heredan una prolongación basal que se halla unida a la limitante externa. También puede ocurrir en neuronas que luego de su nacimiento emiten una prolongación que crece radialmente, llega a la membrana limitante externa, se ancla en ella y luego genera una translocación del soma. La translocación consiste en un desplazamiento del pericarion de la neurona dentro de la prolongación basal de la neurona. Al mismo tiempo la prolongación se retrae ( Fig. SC 9-9-1). En este tipo de http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/visor.aspx#Fase_Proliferativa_Subfases http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/visor.aspx#Fase_Proliferativa_Subfases http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/visor.aspx#Fase_Proliferativa_Subfases http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-9-1.jpg desplazamiento radial, el extremo de la prolongación líder, o basal, posee una posición fija en la membrana limitante externa, se acorta durante el proceso, y el soma que se desplaza no presenta una prolongación trailer. Fig. SC 9-9-1. Representación esquemática de la migración radial por translocación del soma. Los esquemas reproducen imágenes sucesivas de microfotografías tomadas a intervalos de un minuto. La experiencia consiste en teñir una célula con un colorante (Oregon Green BAPTA-1 488 AM) para su identificación y seguimiento en función del tiempo. Barra: 10 μm. SC 9.10. Especificación/determinación y diferenciación de tipos celulares en el sistema nervioso. Las fases de la diferenciación neuronal. V. Flores Como en otros sistemas, la diferenciación celular es precedida por procesos de patterning (regionalización, subregionalización, adquisición de identidad de lugar, etc.), y luego de especificación y determinación de tipos celulares locales correspondientes a cada región (núcleo, área cortical, etc.) del sistema. Si bien en el sistema nervioso en desarrollo es posible hacer un árbol de derivación de tipos celulares en forma genérica, tal como ilustra el árbol de derivación de linajes de la figura SC 9-10-1, el cuadro resultante oculta, en gran medida, la complejidad global del proceso debido a que la categoría celular “neurona” es casi tan, o quizá más, amplia que todos los otros tipos celulares del organismo. http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-10-1.jpg http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-9-1.jpg Fig. SC 9-10-1. Representación esquemática del árbol de derivación de linajes celulares durante el desarrollo del SNC. El punto de partida es la célula neuroepitelial que integra el neuroepitelio. A partir de ella se forman diversos tipos de células troncales neurales y gliales. Luego aparecen los progenitores intermedios neuronogénicos y gliogénicos. (Basado en Cameron R, Rakic P. Glial cell lineage in the cerebral cortex: a review and synthesis. Glia 1991; 4:124-7.) La complejidad del proceso de generación de linajes neuronales se simplifica a través de varios pasos. Éstos se hallan asociados a los sucesivos fenómenos de patterning, en los que se van generando diferentes categorías de neuronas. Por un lado, de lo general a lo particular, se van especificando y adquiriendo identidad de lugar o posición los conjuntos de neuronas que corresponderán a cada una de las regiones o posiciones del eje céfalo-caudal (de prosencéfalo a médula) y, por otro, para cada región en particular, se van definiendo las categorías básicas correspondientes a macroneuronas o neuronas de proyección (que constituirán la eferencia principal de la región) y microneuronas (interneuronas o neuronas de asociación) que originarán a las neuronas de circuito local. Recuérdese que una tercera categoría de neuronas, las neuronas sensitivas osensoriales primarias, vale decir, las http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-10-1.jpg que toman contacto directo con los receptores sensoriales, pertenecen al sistema nervioso periférico y se segregan tempranamente de la placa neural y del ectodermo epidérmico durante la formación de la cresta neural. Estos fenómenos de especificación/determinación ocurren tempranamente, durante la fase proliferativa del neuroepitelio, previamente al nacimiento de las neuronas posmitóticas. Ello implica que la mayoría de los fenómenos de señalización celular que regulan los procesos de especificación/determinación operan sobre poblaciones de células troncales neurales pluriponteciales (cTNp) o sobre sus derivadas, células neuroprogenitoras o glioprogenitoras con potencia más restringida. Estos neuroprogenitores o glioprogenitores van experimentando sucesivos procesos de restricción de potencia en función del tiempo/estado de desarrollo. Tanto en las fases de especificación/determinación como en la de diferenciación, operan combinaciones típicas de señales, de vías de señalización y de factores de transcripción para cada una de las decisiones vinculadas a la elección de diferentes vías de desarrollo, vale decir, a) vía neuronal vs. glial, b) macroneurona vs. microneurona, c) oligodendrocito vs. astrocito, etcétera. El proceso descrito implica que al momento de su nacimiento (última mitosis o de conversión posmitótica), la neurona ya tiene parte de sus comportamientos ulteriores programados. Estos comportamientos se refieren a características migratorias, sitios de residencia y etapas iniciales de diferenciación. Estos procesos poseen una gran variabilidad que depende de las categorías de neuronas que se consideren y también del tipo particular de neurona. En general, las neuronas sufren muchos cambios morfológicos tempranos, luego de su nacimiento, y no todos ellos son específicamente cambios de diferenciación. Muchos de ellos corresponden al comportamiento migratorio y a interacciones celulares transitorias que las neuronas realizan durante su migración posmitótica. Estas modificaciones morfológicas transitorias, por llamativas que sean, no deben ser consideradas parte de la diferenciación neuronal. Muchos tipos neuronales, sobre todo las macroneuronas, inician la fase de diferenciación celular recién cuando llegan a sussitios de residencia definitivos o zona posmigratoria. Allí, se desprenden de la célula GR sobre la cual migran. Se convierten, entonces, en neuronas posmigratorias, inician su diferenciación morfológica y emiten sus prolongaciones. La diferenciación neuronal posee varias fases cuya complejidad y duración difiere sustancialmente dependiendo de la categoría neuronal (macroneurona o microneurona) y del tipo celular en particular. Para el caso de las macroneuronas de proyección, en general, existe una fase de diferenciación temprana del soma que incluye los cambios que ya están, hasta cierto punto, programados en el momento en que la neurona abandona la zona de generación o la zona premigratoria. Esta fase transcurre antes de que la neurona se integre a un circuito. Vale decir, antes de que establezca interacciones con las células con las que normalmente debería formar circuitos estables. Luego ocurre una segunda fase denominada de modelación de la forma final de la neurona o de establecimento de circuitos. Esta fase incluye los cambios producidos en la neurona como consecuencia de las interacciones, con otras neuronas y células gliales, que le permiten integrarse en circuitos de proyección o circuitos locales, dependiendo de su determinación previa. La fase de establecimiento de circuitos, a su vez pose cuatro subfases: a) una fase de neuritogénesis(formación de fibras), b) una fase de sinaptogénesis lábil o no estabilizada y c) una fase de poda de ramificaciones yeliminación de sinapsis redundantes y d) estabilización de sinapsis “definitivas”. Si bien todos estos fenómenos forman parte de la diferenciación de las neuronas, por su complejidad y extensión son, en general, tratados como otras etapas (neuritogénesis, sinaptogénesis, remodelación y refinamiento de circuitos) de la neurogénesis. Debido a este hecho, el ítem diferenciación neuronal frecuentemente alude, en forma restringida, a los cambios que ocurren en el soma neuronal y en las ramas proximales del árbol de ramificaciones. Estos cambios podrían resumirse en forma genérica de la siguiente manera (Fig. SC 9-10-2): http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-10-2.jpg Fig. SC 9-10-2. Representación esquemática simplificada de algunos de los cambios involucrados en la diferenciación del soma neuronal y de los segmentos proximales de axones y dendritas. La polarización del soma, la diferenciación del citoesqueleto y la elaboración de los sistemas de transporte que llevan organoides y sustancias informativas y estructurales a lo largo de las neuritas en diferenciación son elementos fundamentales de la diferenciación neuronal a) Polarización del soma. En general, al finalizar la última mitosis y al finalizar sus desplazamientos la neurona joven posee forma aproximadamente esférica. El primer fenómeno consiste en la ruptura de la simetría esférica. De esta forma, la neurona adquiere la organización polar esencial para su futura función de conducción de información en un único sentido. El fenómeno consiste en la definición de una zona de la superficie neuronal que originará los elementos en los que la información fluirán en forma centrípeta o aferente (árbol dendrítico) y una que tendrá un flujo de información centrífugo o eferente (cono axónico y axón). La instalación de esta polaridad depende de cambios en la organización de componentes moleculares de la superficie neuronal. Este fenómeno es el resultado de la localización de componentes moleculares en una zona frontera definida del http://www.medicapanamericana.com/materialesComplementarios/FloresEst/img/SC9-10-2.jpg citoesqueleto y la membrana plasmática. Estos componentes son similares a aquellos que en las células epiteliales definen la frontera entre los dominios apical y laterobasal de la membrana plasmática. b) Diferenciación molecular y reorganización espacial del citoesqueleto. Otro cambio se observa en la expresión de proteínas que son componentes esenciales del citoesqueleto neuronal. Hay varios tipos de proteínas que forman filamentos intermedios y microtúbulos que son específicos de las neuronas. Estos cambios en la expresión de proteínas específicas de tipo celular son, precisamente, los que producen los cambios estructurales y organizativos del citoesqueleto. Dado que la formación de prolongaciones dendríticas y axones depende de la organización del citoesqueleto, los tipos neuronales con diferentes patrones de crecimiento de prolongaciones exhiben también diferente organización del citoesqueleto. c) Desarrollo y organización espacial del sistema de endomembranas y organoides. Dos características de las macroneuronas son el gran volumen de citoplasma alojado en sus prolongaciones y la gran extensión de éstas. Debido a ello en el soma ocurre un gran desarrollo del sistema de endomembrana y de otros organoides ya que deben producir una gran cantidad de materiales que luego son exportados a las fibras nerviosas y sus terminales. Es típica la abundancia de retículo endoplasmático rugoso (sustancia de Nissl) y gran cantidad de aparatos de Golgi y otros elementos. d) El punto anterior explica el gran crecimiento que experimentan las macroneuronas durante su diferenciación. El crecimiento se acompaña, en general, de un primer modelado del soma. Ambos fenómenos, crecimiento y modelado, se deben, por un lado, a la gran cantidad de organoides, y sus productos, que se acumulan en el pericarion antes de ser direccionados a las fibras nerviosas y, por otro, al inicio de la emisión de la primera generación de prolongaciones. e) Durante de desarrollo de la primera generación de dendritas y del axón, estas prolongaciones, en general, tienen dimensiones y posiciones tan típicas que confieren al soma características morfológicas que contribuyen a designarlas con nombres particulares (fusiformes, bipolares, monopolares, multipolares, piramidales, mitrales, etc.). El tamaño y la forma de los distintos tipos de neuronas exhiben una gran variedad que, naturalmente, depende de sus distintas funciones y modos de integrase en redes locales o de proyección. f) Otra característica principal de la diferenciación es el ensamblado de sistemas de transporte intracitoplasmáticos que facilitan el rápido traslado de elementos del soma a las prolongaciones y viceversa. Estos sistemas de transporte dependen de la organización de: los microtúbulos, los filamentos intermedios y distintos tipos de miosina y otras moléculas motor. Los sistemas moleculares de transporte de sustancias y elementos formes (organoides) exhiben una gran especialización. Algunos de ellos sirven al efecto del transporte anterógrado (centrífugo) y otros retrógrados (centrípetos). Algunos sirven al efecto de direccionar elementos a las dendritas o a los axones, etc. Por otro lado, exhiben diferentes velocidades (rápidos, lentos e intermedios). Es importante notar que, sin estos sistemas de transporte, las neuronas no podrían mantener las funciones metabólicas vitales ni la estructura de sus prolongaciones. g) Como parte de la diferenciación terminal de la neurona queda su integración funcional a un circuito neural. Este fenómeno está caracterizado por cambios morfológicos y ultraestructurales vinculados a la sinaptogénesis e importantes cambios en la expresión génica vinculados, a su vez, a la elección de un sistema de neurotransmisión en particular y eventualmente la síntesis y secreción de sustancias neuromoduladoras. Entre los fenómenos de integración funcional se incluyen también la expresión de todos los componentes moleculares involucrados en la elaboración de medios de comunicación con