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DISTRIBUCIÓN DE LAS VESÍCULAS DE NÚCLEO DENSO EN BOTONES SINÁPTICOS DEL GANGLIO SIMPÁTICO SUPERIOR DE LA RATA POR EFECTO DE LA ESTIMULACIÓN ELÉCTRICA DE ALTA FRECUENCIA

Universidad Nacional Autónoma de México

Resumen

Actualmente se considera a la potenciación de largo plazo (PLP) como el modelo más viable para explicar los procesos de memoria y aprendizaje. Es conocido el papel de las vesículas de núcleo denso (VND) en la ocurrencia de PLP. Sin embargo el rol que desempeñan a lo largo del proceso de transformaciones estructurales en las sinapsis es desconocido. Como primera aproximación a este problema, se decidió ubicar la distribución de las VND luego de una estimulación eléctrica de alta frecuencia. Se estudiaron los efectos de la estimulación sobre la distribución espacial y la densidad poblacional de las VND en los botones sinápticos del ganglio cervical superior de la rata. Una estimulación de 60'' fue administrada al ganglio tras lo cual fue fijado in situ y tratado para su observación en microscopía electrónica.

Micrografías de botones sinápticos con zonas activas fueron obtenidas y procesadas, obteniéndose así las distancias de las VND con respecto a la membrana celular, la zona activa y el área de los botones axónicos. Los resultados muestran una tendencia significativa en el decremento en la densidad de las VND en los sujetos estimulados, así como una disminución en el número de VND que se encuentran en la proximidad de la membrana celular (> 100 nm). Estos datos sugieren que la estimulación provoca una disminución general de la población de VND luego de la estimulación y ofrecen un punto de referencia hacia el descubrimiento de la dinámica de las VND en el proceso del establecimiento de la PLP.

Introducción

Para el hombre común —tan orgulloso de las propiedades abstractas de su pensamiento—, resulta perturbador que sus más trascendentes y espirituales ideas puedan ser rastreadas hasta grupos cada vez mejor definidos de células nerviosas. Nuestra herencia histórica y cultural, que separa de manera tajante el espíritu y la materia, hace difícil incluso tomar conciencia plena de esta idea. Mientras tecleo estas palabras en el procesador de texto, miles de redes neuronales procesan la información que llega del monitor de la computadora mientras otras miles se activan en el lóbulo parietal izquierdo para que las palabras que escribo posean algún sentido; de nada de esto soy consciente y sólo cuando el tejido cerebral se daña somos capaces de percatarnos de la relación que existe entre nuestro mundo intelectual y su base orgánica. Si mi cerebro se dañase parcialmente por un accidente o un infarto, y dependiendo de la zona afectada, podría dejar de reconocer ciertas ondas de compresión de aire como música (amusia), aún cuando pudiese reconocer el resto de los sonidos. O quizás mi vista (cuya base orgánica se ubica en la zona occipital) quedaría intacta , mas ya no sería capaz de reconocer los rostros de mis amigos (prosopagnosia), solo sabría con quién hablo cuando conjuntara el contexto con una voz o un perfume.

El cerebro es un órgano, —o un conjunto de órganos—, viviente y en incesante transformación. "Nadie baja dos veces al mismo río" reza la sentencia de Heráclito, no sólo porque la corriente del río modifique al río, sino porque somos nosotros también los que cambiamos, el hombre que se levanta en la mañana y el que se acuesta a dormir por la noche ya no son el mismo: en algo lo habrá cambiado el día transcurrido.

La idea de que los procesos mentales que dan origen a la consciencia y la imaginación humanos puede ser comprendidos y reproducidos a través del estudio de la anatomía cerebral ha atraído la fantasía del hombre desde hace mucho tiempo. Desde el homúnculo de los alquimistas, —pasando por aquella teoría frenológica del escocés Gall— hasta los modernos mapeos por emisión de positrones, el objetivo fundamental permanece e inspira: reconciliar las estructuras cerebrales con las funciones mentales. Pero la realidad no es tan sencilla como una vinculación directa entre una función psicológica y una zona cerebral. Este modelo es demasiado grueso como para aprehender las numerosas y complejísimas relaciones que el cerebro maneja momento a momento con el fin de construir el vasto reflejo psicológico que construye y guía nuestra conducta todos los días. Al realizar el estudio de la psique, la ciencia, —tradicionalmente pretenciosa—, ha recibido una lección de humildad, pues las dos aproximaciones que aventuro a lo largo del siglo XX , el psicoanálisis freudiano y el análisis experimental de la conducta, consumieron más de ochenta años y desembocaron, ambas teorías, en rotundos fracasos.

No obstante, la ciencia insiste, ya no basada en una suposición única sino en líneas interdisciplinarias que abordan el problemas de la consciencia desde varios ángulos. Podríamos decir, agrupando esta líneas de trabajo, que la investigación en neurociencias se ha dividido en dos frentes. El primero está formado por investigadores de la psicobiología que realizan un estudio del cerebro "desde abajo", es decir, desde un modelo que toma la célula nerviosa como unidad de investigación. Y otro frente, donde los psicólogos socio-culturales y del desarrollo, experimentan "desde arriba", esto es, observando la actividad real e integrada del ser humano en su actividad concreta. En algún punto del futuro, estas líneas se encontrarán dando paso a una teoría general de la psique. Este artículo intenta interpretar datos obtenidos "desde abajo", a través de las conclusiones que se han logrado "desde arriba".

Psicología del aprendizaje

Algunas veces nos basta escuchar una única frase para modificar totalmente nuestra opinión sobre un tema particular. Este hecho sucede no sólo con asuntos periféricos o de cultura general, la propia idiosincrasia de las personas, sus opiniones y creencias, cambian en el tiempo. La experiencia nos transforma pues integramos nueva información de nuestras vivencias físicas y mentales cotidianas. Aprendizaje, es el término psicológico para la modificación de la actividad por causa de la experiencia. Sin embargo no todo lo que hacemos se deriva de un proceso de adquisición; existen muchas actividades mentales en las cuales el aprendizaje no está involucrado, este es el caso, verbigracia, del parpadeo de nuestros ojos o del ritmo cardíaco. A principios del siglo pasado, el psiquiatra suizo Carl Jung (1998) dio el nombre de funciones psicóideas a estas funciones mentales, las cuales no requieren aprendizaje y cuya característica distintiva es mantener en funcionamiento los procesos básicos del organismo. En este texto no nos interesan este tipo de funciones, las he mencionado sólo para dejarlas de lado de manera explícita.

El tipo de funciones mentales que son de nuestro interés son aquellas que se construyen con la experiencia. Tradicionalmente, y desde el punto de vista del contenido, los diferentes tipos de aprendizajes han sido agrupados en tres categorías: perceptual, motor y relacional. Esta categorías se han establecido de manera artificial para deslindar campos específicos de investigación psicofisiológicos, pues en la práctica —y desde el punto de vista funcional y psicológico— ha resultado demasiado complicado presentar una imagen del aprendizaje que integre en un cuadro ordenado y completo las características físicas, sociales y lingüísticas de una experiencia definida. Momento a momento todas las funciones psicológicas —y por consiguiente, todos los tipos de aprendizaje— se entrelazan íntimamente. Para usar la expresión de Luria (1997), "cada objeto que penetra en nuestra consciencia posee una valencia de asociación y una posición jerárquica que sólo puede considerarse valiosa si se le observa in vivo e in situ, esto es, durante el flujo concreto de su uso en una acción particular..." y más adelante: "Todos los intentos de ubicar los conceptos e ideas analizándolos como si estuviesen formados por propiedades inherentes a sí mismos, han fracasado al no poder integrarse al esquema de desarrollo de una función específica". En muchas ocasiones sin embargo, y sobre todo en la orilla americana del atlántico, las advertencias de Luria no se han escuchado y la investigación sobre el aprendizaje ha desembocado en extrapolaciones injustificadas del mundo de los modelos computacionales, y otras ramas de las neurociencias, a la psicología (Rivierè, 1990). La nota importante en las observaciones de Luria, es que ciertos tipos de investigación del aprendizaje, se han fragmentado con el objeto de hacerse manejables, pero al mismo tiempo, han renunciado a la comprensión sistémica del aprendizaje.

Además de dividirlo en categorías, el aprendizaje ha sido categorizado en asociativo y no-asociativo. El aprendizaje asociativo es aquel en el cual dos o más objetos se vinculan, como cuando aprendemos que el limón es agrio o que los colores de la universidad son el azul y oro. El aprendizaje no-asociativo es también llamado, aprendizaje de grado, pues este tipo de aprendizaje se obtiene de la comparación de una situación consigo misma. Piense en un curso para aprender a catar vinos, el primer día todos los vinos probablemente le sepan más o menos igual pero al paso del tiempo (si usted se convierte en catador experto) podrá decir si la muestra fue obtenida del fondo o de la superficie de un mismo tonel. El concepto de aprendizaje no-asociativo es algo engañoso, pues en realidad, —y luego de muchos ensayos—, las experiencias se comparan y relacionan unas con otras. Es imposible obtener aprendizaje de algo sin generalizarlo, evaluarlo y categorizarlo en nuestra mente. Claramente se ve que esta visión del aprendizaje rechaza la idea de "estímulos" y de "respuestas" que se propone en algunos modelos atomísticos del aprendizaje; el perro de Pavlov no salivaba porque oyera una campana, sino que activamente construía "y lanzaba al mundo", como diría Popper (1990), una compleja y activa hipótesis sobre su situación a partir de las experiencias pasadas.

¿Qué puede decirnos la psicología sobre el aprendizaje?, en principio, algo optimista y estimulante, y es que el aprendizaje del niño se desencadena, desde el punto de vista de las necesidades inmediatas, sin un porqué definido. Es decir, el niño pequeño hace un esfuerzo arduo y sostenido por aprender, aún cuando sus necesidades fisiológicas de alimento y cobijo estén satisfechas: en el origen todo esquema circular piagetiano se encuentra las necesidades cognitivas del niño pequeño, incluso del neonato.

Junto con las necesidades de exploración, la psicología, apoyada por la biología, estable períodos críticos en el proceso de aprendizaje. "Los períodos críticos son periodos del desarrollo caracterizados por el hecho de que durante, y sólo durante ellos, los animales, incluyendo al ser humano, pueden adquirir unas características, conductas o capacidades específicas, estos periodos son también conocidos como periodos sensibles" (Bruer, 1990. P.128). Un ejemplo clásico es el fenómeno de impronta, descubierto por Konrad Lorenz, el famoso etólogo austríaco. Lorenz notó, que al momento de salir del cascaron, las crías de oca seguían a cualquier objeto grande y en movimiento que observaran y que era muy difícil que los polluelos transfirieran su "afecto" a otro objeto, incluso si este nuevo objeto era su verdadera madre. Luego de dos días de nacidos, la tendencia a adquirir una impronta por parte de los polluelos desaparece. Lorenz identifico un periodo crítico en el desarrollo de las ocas y concluyo que este mecanismo poseía un valor evolutivo para la supervivencia de la especie.

En los años sesentas los investigadores Hubel y Wiesel (1962) identificaron un periodo crítico, pero esta vez en los gatos. Estos investigadores impidieron que uno de los ojos de un grupo de gatitos recibiese luz durante los tres primeros meses de vida. Luego de este periodo los gatitos nunca pudieron recuperar la visión en ese ojo. Las investigaciones de Hubel y Wiesel, —por las cuales recibieron el premio Nobel en 1981—, resaltan la importancia de las primeras experiencias y su impacto en los procesos de aprendizaje a largo del desarrollo.

Los registros clínicos nos permiten identificar la existencia de periodos críticos en el ser humano. Al igual que en los gatos, los niños que desarrollan cataratas a una edad temprana pueden ver atrofiado su sistemas visual de una manera mucho más profunda —e incluso irreversible— que un niño con cataratas de más edad. Además de la visión y probablemente otra funciones perceptivas, el ser humano posee un periodo crítico lingüístico delimitado (al parecer) por los once años de edad. Si luego de ese tiempo al niño no se le ha suministrado la estimulación socio-lingüística necesaria, ya nunca podrá dominar la gramática de un idioma.

Los periodos críticos parecen ser una astuta respuesta de la evolución, al dilema de "tender el cableado" neurológico por medio del gen o por medio de la experiencia. El periodo crítico es una poderosa y flexible combinación de ambos métodos. El cableado de nuestro cerebro (para usar una vez más el símil de la central telefónica que se encuentra ampliamente difundido en la literatura del tema), está mayormente definido por la naturaleza, pero existen ciertas capacidades psicológicas que parecen construirse mejor si la naturaleza y la experiencia trabajan conjuntamente. El cerebro da el material de construcción pero es el ser-en-el-mundo el que aporta el plano de la edificación.

Una de las "leyes" de la neuropsicología reza "si una sinapsis no se usa, se pierde". El descubrimiento de los periodos críticos ha tenido una gran influencia en la psicología del aprendizaje y la pedagogía. La correlación existente entre el mayor número de conexiones sinápticas y el aumento del nivel metabólico cerebral que se observa alrededor de los veinticuatro meses de edad, ha obligado a muchos investigadores y entidades gubernamentales ha reevaluar los programas de intervención y mejoramiento del aprendizaje bajo la sospecha de que son demasiado tardíos como para tener un efecto real en el mejoramiento del performance infantil. La lógica que sigue esta posición observa que el mayor número de sinapsis se alcanza a los dos años, luego de este periodo el cerebro realiza una "poda" paulatina de las conexiones hasta que estas alcanzan su nivel normal, entonces esta edad de dos años es clave para recibir la mayor cantidad de estimulación y con ello preservar el mayor número de conexiones y a mayor número de conexiones mayor inteligencia. Desgraciadamente, —sobre todo de capas sociales marginadas— los niños de este edad reciben poca estimulación y con ello su potencial queda cortado de raíz y de modo irreversible.

Apoyados por grupos vinculados al psicoanálisis, se ha realizado un verdadero sobre dimensionamiento de la importancia que juega el crecimiento sináptico del neonato en sus capacidades cognitivas futuras pues el corpus de conocimiento que poseemos en este momento no es lo suficientemente amplio como para permitirnos construir un modelo explicativo de las relaciones entre el periodo crítico de los dos años y el aprendizaje. Por un lado, nadie ha probado que la cantidad de sinapsis posea una relación causal con una mayor estimulación, por el otro, ni siquiera tenemos claro si realmente es deseable un aumento de la conexiones, sabemos de varios patologías, —como es el caso de la esquizofrenia—, son resultado de la actividad de más que realiza el tejido nervioso. También, si observamos los periodos críticos a la luz de las ciencia aplicada, es difícil discernir qué tipo de acciones concretas deben implementarse para alcanzar el mayor número de de sinapsis en el infante. La mayoría de los consejos en este sentido caen en el lugar común; hablarle al niño, cargarlo, cantarle, leerle, exponerlo a música de Bach o Mozart. Los defensores de los periodos críticos presumen los resultados de investigaciones que muestran niños más activos e inteligentes si son estimulados que aquellos niños que no lo son. Además, los niños que escuchan música clásica desde la infancia tienen un mejor desempeño en las matemáticas que los niños que no la escuchan.

No obstante, los resultados no son claros. Los niños mayas de Guatemala muestran capacidades psicológicas normales aún cuando sus madres, por cuestiones culturales, acostumbran aislarlos durante el primer año en el interior de sus chozas y debido a ello reciben una menor estimulación. Por otro lado, las madres tzeltales acostumbran llevar consigo a sus hijos a sus quehaceres agrícolas, durante el primer año lo cargan en su espalda y después, cuando ya pueden caminar, siguen a su madre al campo. Eso supondría una ventaja cognitiva de estos niños, pero en realidad no se observa ninguna capacidad especial comparada con otras etnias, lo que si se observa es un menor rendimiento escolar cuando se les compara con los pobremente estimulados niños urbanos de zonas pobres que pasan mucho tiempo confinados en sus cunas. En general, se puede afirmar que en las culturas donde no existe la división del trabajo, los niños son ricamente estimulados, pero nadie ha encontrado una mayor capacidad mnémica o lingüística en ellos.

La importancia que se le otorga a los periodos críticos se debe a la falta de consideración en la génesis de las capacidades mentales pues si bien es cierto que existen lapsos durante los cuales es de vital importancia que el niño este expuesto a cierto tipo de situaciones, estas situaciones sólo ayudan a formar funciones psicológicas elementales. En efecto, la mayoría de los periodos críticos se relacionan con la percepción, el lenguaje primario o la coordinación motora, todas estas capacidades mentales no están relacionadas ni garantizan una mayor inteligencia: los futbolistas no tienden a ser buenos físicos teóricos. Por otro lado la estimulación es considerada des sus propiedades cuantitativas, físicas; un mayor número de sonidos, colores, olores, texturas y sabores mejora el aprendizaje, no se habla de los elementos significativos de la estimulación, los cuales se conforman por la interpretación social que hace el adultos de lo que el niño hace.

Además de los periodos críticos, la psicología contemporánea pondera el carácter activo del aprendizaje, sólo aprendemos cuando hacemos algo, pero al mismo tiempo ese algo nos hace a nosotros, o para decirlo en palabras de Boshovich:

...somos lo que hacemos, no por la exposición y asociación a supuestos "estímulos", sino porque las actividades y operaciones concretas poseen su propio repertorio de propiedades objetivas que afectan nuestro aprendizaje y nuestra personalidad. Si un hombre decidiera ser escritor no podría hacerlo simplemente pensando "literariamente", pues nadie puede generar este tipo de ideas sólo con desearlo. En lugar de ello, tendría que llevar la rutina de escritor, hacer las cosas que corresponden a esa labor: leer y escribir mucho, discutir con otros escritores, corregir, publicar, etcétera. De este modo tarde o temprano, —y quizás aún contra su voluntad—, su personalidad y su imaginación comenzaría a mostrar elementos comunes a la vida literaria. Kipling nos ha dado un bello ejemplo de como un cambio brusco en la rutina puede modificar totalmente a un hombre en su novela "Brave captains"

En primera instancia, la afirmación de Boshovich con respecto a que nuestra actividad modifica nuestra concepción de las cosas puede ser vista como un lugar común, no solo de la psicología, sino de la manera de pensar común. Las frases "hijo de su siglo" y "un hombre es él, más sus circunstancias" son citadas con frecuencia en muchos lugares como explicación de un perfil psicológico, pero estas opiniones chocan con la vieja idea esencialista que afirma que cada niño nace con un carácter definido que se expresa a medida que el niño crece.

Parte substancial del problema se debe a la fuerte influencia que la psicología actual está sufriendo por parte de la biología genética. En efecto, lo que no pudieron hacer las tesis de Hume y el análisis experimental de la conducta —misteriosamente llamadas ciencias del comportamiento— lo esta haciendo el estudio del ADN. Watson y Crick, con su descubrimiento de la doble hélice, nos colocaron en el mismo plano explicativo que el chimpancé o la Aplysia: bastaría hacer un mapa del gen humano para conocerlo totalmente, incluida su mente por supuesto. Ya hemos tenido avances de lo que os depara el futuro, casi cada mes se descubre un gen con el cual se explica una propiedad psicológica: el gen del chocolate que nos explica porqué nos gusta este alimento, el gen del borracho que aclara porque hay gente alcohólica, y así muchos otros, el gen de la gente obesa, el gen del matemático, de la anorexia, del jugador de billar, del violento y el que explica la adicción de los jóvenes a la consola de videojuegos. Por supuesto uno se pregunta cómo sabía la evolución que habría playstation, o porqué no hay anoréxicas entre las mujeres musulmanas, o porqué los países latinoamericanos no tienen los genios matemáticos que les corresponden.

El estudio del genóma puso de nuevo los reflectores sobre un viejo e irresuelto problema de la psicología de inicios del siglo XX, a saber, ¿cuales son las relaciones entre el aprendizaje y el desarrollo?, Leontiev (1984) llamó a esta cuestión el problema de la demarcación en psicología y con seguridad será uno los problemas fundamentales de la psicología del sigo XXI. La respuesta que muchos psicólogos evolutivos dan a esta pregunta es que la cuestión, desde el principio, carece de sentido, pues no puede existir una relación entre una cosa consigo misma, esto es, el desarrollo es aprendizaje. Según esta posición, conforme el sistema nervioso del niño madura, el aprendizaje se produce. La constante intromisión de las terminología genética dentro de la psicología ha conducido, de manera previsible por lo demás, al abuso flagrante y desaseado de los términos biológicos en esferas que en lo absoluto les corresponden, aunque ciertamente es necesario aclarar que son los psicólogos y nos los biólogos los que han hecho este transplante inadecuado de ideas de una disciplina a la otra. Observamos con asombro el vigoroso renacimiento de la psicología evolucionista, con todo su olor a naftalina y a siglo XIX.

Plasticidad

Cada neurona posee la capacidad de modificar sus propiedades así como los patrones de la conexiones que existen entre ella y otras neuronas, el resultado de estos cambios es una adaptación del organismo al medio. A esta capacidad se le conoce como plasticidad. Desde el punto de vista de su génesis existen dos tipos de plasticidad sináptica, la genética y la ambiental. La plasticidad genética es aquella que se lleva a cabo como resultado de la expresión de un gen, mientras que la ambiental es derivada de la repetición de una conducta significativa.

Es bien sabido que los bebés humanos desarrollan conexiones neuronales que están definidas por la información genética de la especie. Por ejemplo la secreción de hormonas al inicio de la pubertad es producto en una modificación en las neuronas que conectan a la glándula neurohipófisiaria. La modificación de estas neuronas es independiente de la zona del planeta donde la persona viva, así como de la cultura a la que pertenezca, no importa si se trata de un adolescente japonés o maya, la neurohipófisis comenzará a producir nuevas hormonas alrededor de los doce años.

Por otro lado la plasticidad ambiental es aquella que se produce con el fin de lograr la adaptación a un medio específico. Los esquimales pueden discriminar más de quince tonos de blanco y un experto cafetalero puede determinar de qué país es el café que está tomando. En la obra de Bernard Shaw "My Fair Lady" un lingüista puede reconocer en cual zona de Inglaterra ha crecido una persona tan sólo por su acento.

Sin embargo, muchas veces no es tan sencillo diferenciar si la plasticidad posee un origen genético o ambiental, como vimos al revisar los periodos críticos del desarrollo. Este es el notable caso del lenguaje. De los estudios realizados hasta la fecha se infiere que entre los dos y los once años de edad, los niños humanos están determinados genéticamente para adquirir el lenguaje. La tomografías obtenidas a partir de la emisión de positrones (TEP) en niños de esa edad muestran una gran actividad en el hemisferio izquierdo del cerebro, específicamente en las zonas de Wernicke y de Broca. No obstante, sin la interacción del niño con personas que posean un lenguaje su cerebro nunca adquirirá la capacidad de comunicarse por medios simbólicos.

El lenguaje muestra que existe un tipo de plasticidad cuya posibilidad es motivada por factores endógenos, pero cuya concreción es ambiental. Vygotsky (2000) visualiza este tipo de desarrollo como agua dentro de un río, el agua puede ir lento o rápido, pude hacer remolinos o fluir llanamente, pero siempre dentro de los límites que el mismo río le impone. Quizás nuestras categorías de plasticidad (genética vs ambiental ) son demasiado rígidas. Propongo el término de plasticidad combinada para este tipo de modificaciones neuronales donde la sabiduría filogenética y un medio ambiente concreto trabajan en conjunto para crear una estructura que controle eficientemente la actividad del organismo. Vista de este modo, la plasticidad combinada es una especie de renuncia de la biología a sus papel rector en pos de una mayor flexibilidad conductual. No quiero decir, que la plasticidad combinada resuelva o niegue el problema de la demarcación planteado por Leontiev, sólo es un término técnico que introduzco para referirme a un desarrollo neuronal que se desenvuelve dentro de márgenes establecidos por la especie. Probablemente podremos atacar el problema de Leontiev en cuanto desarrollemos las metodologías necesarias para definir con suficiente precisión qué tanto se salen los desarrollos y sus funciones de los márgenes y que tanto se desarrollan aún cuando los márgenes simplemente no estén allí.

Existen ciertos tipos de plasticidad en las cuales los genes no están involucrados en lo absoluto, estoy pensando, por supuesto, en la lectura y escritura pues la naturaleza tenía contemplado que habláramos, pero no que leyéramos y mucho menos que aprendiésemos álgebra o un lenguaje de programación. Me he extendido sobre este punto porque los orígenes de cada plasticidad condiciona enormemente la expresión concreta de cada función psicológica. Pero antes de abordar este punto debemos preguntarnos ¿cuál es la función de la plasticidad neuronal? La plasticidad sináptica puede , quizás deba, estudiarse desde dos posiciones. Desde el registro de actividades y experiencias de un organismo actuando en un medio ambiente particular, y desde las modificaciones químicas que sufre cada neurona o grupos de neuronas. Entre estos puntos existen una serie de eslabones intermedios que conectan ambos extremos de la serie. En este sentido podemos responder a la pregunta que hicimos arriba diciendo que las modificaciones neuronales tiene por objeto crear redes o módulos neuronales. A esto se le conoce como teoría modulatoria del cerebro o teoría de fodor (Fodor, 1983). La teoría modulatoria propone que la función del cerebro es controlar la actividad del organismo construyendo espacios psicológicos que ayuden a orientar la forma en que dicho organismo actúa, la forma más eficiente de hacer esto, dice Fodor, es a través de módulos. Tal como se encuentra en este momento, es difícil que la teoría modulatoria resulte exitosa, sin embargo, se ha arraigado con fuerza en la psicología moderna, sobre todo entre los psicólogos constructivista, permitiendo ver viejos datos y registros a través de una nueva luz. Podríamos esquematizar los eslabones entre la neurona y la actividad así:

Pero ¿qué pasa con la información que no está modularizada?, la respuesta es simple; al igual que las sinapsis que no se refuerzan, se pierden. En efecto, la información que no es procesada dentro de un módulo es inestable, ineficiente y volátil. En alguna ocasión un amigo me explico el principio químico de la apoptosis en el núcleo celular, durante unos diez gloriosos minutos pude comprender con claridad cómo es que una célula determina qué es tiempo de morir; en la noche de ese mismo día lo olvidé. No es que yo fuese particularmente tonto, en general este tipo de explicaciones que involucran fórmulas tienden a no "fijarse" en la memoria a menos que las practiquemos cierto tiempo y de manera constante. En efecto, la clave aquí es la palabra "repetición", es decir, lo que permite a un módulo crearse —a través de la plasticidad sináptica— es el hecho de que repetimos una misma actividad muchas veces, "la práctica hace al maestro" es un refrán popular con una sólida base neuropsicológica.

Las modificaciones sinápticas pueden durar un tiempo muy corto o, en cambio, ser definitivas. Ciertas patologías, como el Alzheimer, —y otros tipos de neuropatologías— muestran que bajo ciertas condiciones, las modificaciones a corto plazo no pueden mantenerse mientras las memorias permanecen. De esta manera el paciente posee la capacidad de evocar recuerdos de muchos años atrás, mientras que es incapaz de recordar qué desayuno en la mañana. Esto sugiere que las modificaciones de corto plazo poseen un mecanismo diferente a las modificaciones de largo plazo.

Desde hace tiempo se posee evidencia que los procesos que subyacen a las modificaciones de corto y largo plazo son tanto moleculares como estructurales. El modelo que mas se ha usado para explicar la modificación permanente de las sinapsis producidos por el aprendizaje es el basado en la potenciación a largo plazo.

Facilitación, potenciación y depresión

Si un tren de estímulos invade una terminal, la eficiencia en la transmisión del potencial de acción no siempre permanece constante. Dependiendo de la neurona observada y de las propiedades del tren de estímulos se puede observar un progresivo incremento o decremento en esta eficiencia. Esta propiedad, la cual permite que la sensibilidad al potencial se modifique como resultado de una actividad previa en la terminal, ha sido llamada plasticidad homosináptica. Este tipo de modificación en la terminal neuronal puede ser de tres tipos: facilitación, potenciación y depresión.

La facilitación es el incremento progresivo de la eficiencia de transmisión durante un tren de estímulos. Una hipótesis para explicar la facilitación señala que este incremento se debe al calcio residual que permanece en el citoplasma luego de invadir a la neurona presináptica en cada potencial de acción. Este calcio residual no tiene el tiempo suficiente para ser removido del área adyacente a la zona activa, quedando siempre una pequeña cantidad que aumenta a medida que los potenciales del tren de estímulos recorren la célula.

La potenciación es el incremento de la eficiencia de transmisión después de que en la terminal se ha presentado un tren de estímulos. En muchos caso se observa que la potenciación no desaparece luego de varios minutos de haberse estimulado la terminal. Si este es el caso se dice entonces que se trata de una potenciación post-tetánica (PPT), debido a que este tipo de estimulación también se le conoce como estimulación tetánica. La PPT se explica, por lo menos parcialmente, por la función de las mitocondrias y las vesículas de núcleo denso (VND) en la terminal. Además de proveer la energía necesaria para las funciones celulares, la mitocondria desempeña un importante papel en la homeostasis de calcio funcionando como una "esponja" que absorbe y libera calcio. Durante el tren de estímulo el calcio que invade la célula alcanza el citoplasma donde es "absorbido" y almacenado en la matrix de las mitocondria. Durante los minutos subsecuentes, las mitocondrias liberan el calcio el cual se añade al de los potenciales de acción aislados, produciéndose así una mayor liberación de neurotransmisor. Además de las mitocondrias, en las terminales axónicas se encuentran las VND, las cuales realizan su proceso de exocitosis, —generalmente contiene neuropéptidos— en partes de la membrana alejadas de la zona activa. Conjuntamente, el mayor tamaño de las VND en relación con las vesícula claras, y el hecho de que no existe un mecanismo de limpieza o reecaptura de neuropéptidos en el mecanismo sináptico, produce una modificación en el medio químico de la hendidura sináptica. La PPT no debe confundirse con la potenciación a largo plazo (PLP), la cual dura más tiempo después del tren de estímulos, y al parecer, tiene como base mecanismos moleculares postsinápticos muy diferentes a la PPT. Sin embargo, una de las interrogantes que se plantean, son los límites del papel que juegan las VND en la formación de PLP, pues resulta evidente que la PPT es antecedente necesario de ésta.

Por último, la depresión sináptica se refiere al progresivo decremento en la eficiencia durante un tren de potenciales de acción. Este fenómeno es observado con frecuencia después de un largo e intenso tren de estímulos y muchas veces se debe a la depleción de las vesículas claras del repositorio liberable de la neurona. A la proporción de vesículas que son liberadas por un solo potencial de acción en condiciones normales se le conoce como probabilidad de liberación y varía enormemente a lo largo del sistema nervioso. Existe una clara relación entre la probabilidad de liberación y la presencia de depresión sináptica. Las terminales con una alta probabilidad de liberación tienden a sufrir depresión luego de una estimulación tetánica mientras que las terminales con baja probabilidad de liberación presentan, ante la misma estimulación, facilitación y PPT.

Bases morfológicas y moleculares en la PLP y la DLP

La comunicación neuronal y su modulación no sólo afecta las funciones fisiológicas básicas como son los sistemas vegetativos, sino también funciones psicológicas superiores como el aprendizaje y la memoria. Esto es debido a que el sistema nervioso puede modificar continuamente su estructura y su dinámica para adaptarse a las necesidades del medio natural o gregario. Las conexiones sinápticas no son estructuras rígidas sino que pueden crearse, modificarse o destruirse a causa de los patrones de actividad del organismo. En muchas sinapsis una actividad repetitiva puede conducir no sólo a una alteración de corto plazo, sino a modificaciones que pueden durar horas, días, e incluso volverse permanente. Los dos fenómenos asociados a estos cambios son conocidos como potenciación a largo plazo (PLP) y depreciación a largo plazo (DLP). Al parecer la PLP es debido a un incremento en la concentración de calcio tanto en la célula postsináptica como en le postsináptica, en esta última el incremento en la concentración de Ca²⁺ conlleva una modificación en el sistema de segundos mensajeros lo cual genera receptores adicionales en la membrana dendrítica con el consecuente incremento de sensibilidad al neurotransmisor que cruza la hendidura sináptica.

La DLP, por otra parte, parece presentarse en respuesta a un incremento más pequeño de calcio en la célula postsináptica lo cual es acompañado por un sensibilidad menor en los receptores de la membrana. Ciertas formas de PLP y DLP involucran a los mecanismo presinápticos cuyo papel dentro de estos fenómenos plásticos dista mucho ser claro. Estas modificaciones en los esquemas de señalización química de las células nerviosas parecen estar en la base de la explicación de la plasticidad sináptica y ha sido objeto del interés de gran número de investigaciones.

La PLP fue descrito por primera vez al inicio de la década de los 70's cuando los investigadores Bliss y Lomo la observaron en las sinapsis glutamaérgicas dentro de la formación del hipocampo (Bliss y Lomo, 1973). Esta estructura localizada en el lóbulo temporal consiste en dos secciones conocidas como hipocampo y giro dentado. Bliss y Lomo demostraron que la estimulación fuerte y de alta frecuencia en células del giro dentado produce un subsecuente incremento en la amplitud de sus potenciales de acción excitatorios, el cual se prolongaba incluso por días. Bliss y Lomo también observaron que una estimulación débil, aún cuando fuese de alta frecuencia, no producía PLP. Ahora se sabe que es necesaria una larga despolarización de la zona postsináptica para que se produzca PLP. Si equilibramos eléctricamente a una dendrita por medio de un microelectrodo, de modo que no se despolarice aún cuando reciba una estimulación tetánica, no se observa el fenómeno de PLP en ella. No obstante si estimulamos —de nuevo con un microelectrodo— a la dendrita, despolarizándola, la PLP tampoco se presenta. Es necesario que esta despolarización artificial se realice conjuntamente con una estimulación débil (esa misma estimulación que no era capaz de generar PLP por si misma). Esto sugiere que los canales receptores, y quizás la termina axónica, están involucrados en la formación de una nueva PLP.

Este tipo de potenciación a largo plazo se denomina potenciación asociativa o (PALP), porque precisa de la asociación entre la activación de la terminación presináptica y de la neurona postsináptica. La potenciación asociativa también se denomina potenciación hebbiana, en honor al psicólogo canadiense D.O. Hebb que en 1949 postulo la existencia de este fenómeno y propuso, de manera visionaria, que podría ser el mecanismo subyacente en el aprendizaje y la memoria. Hebb, en un su libro La organización de la conducta escribió: "Cuando el axón de la neurona A está lo suficientemente cerca para excitar la neurona B, y lo hace de manera repetida o persistente, se lleva a cabo algún proceso de crecimiento o cambio metabólico en una o ambas neuronas de modo que la eficiencia de B para responder a A se incrementa".

La teoría hebbiana de la plasticidad puede tener distintos mecanismos en distintas especies o en distintos tipos de neuronas, y podría explicar muchas clases de aprendizaje y memoria. Por ejemplo, como veremos más adelante, puede ser útil al intentar explicar el fenómeno del condicionamiento clásico. Sin embargo, el postulado de Hebb no carece de problemas, la mayoría de la información con la que trabaja el cerebro es espacio-temporal, ¿cómo sabe un grupo de células de qué tipo de información se trata?, además es evidente que diferentes redes neuronales trabajan sincronizadamente, (piénsese en los ciclos circadianos) ¿cómo sabe una neurona cuanto tiempo pasó desde su último "disparo"? Una respuesta a esta cuestión podría ser la existencia de relojes internos o mecanismos de prórroga que hicieran actuar —o dejar de actuar— a la neurona cada cierto tiempo, sin embargo hasta ahora nadie ha aportado pruebas concluyentes de su existencia (Buonomano, et al. 1997). Más aún, la literatura reciente sobre el tema revela que no existe un consenso acerca de si la PLP es un mecanismo "normal" del cerebro. Como Morris y Davis (1994) señalan: "es fundamental establecer con claridad que la PLP ocurre naturalmente durante el proceso de aprendizaje". Otras revisiones cuestionan a la "ortodoxia de la PLP" y advierten que este proceso puede ser la base de muchos cambios cerebrales más allá de sólo el aprendizaje o la memoria.

Suma espacial y temporal

Al producirse estimulaciones frecuentes en las células nerviosas éstas pueden ser causa de modificaciones en el funcionamiento y anatomía de neuronas específicas. Supongamos que poseemos una neurona del músculo de la rana en la que se está registrando el potencial de membrana con un microelectrodo intracelular (Figura 4a). Sobre esta neurona actúan tres sinapsis excitadoras. Al activarlas por separado, podemos observar que las tres sinapsis producen una despolarización de la membrana (potencial postsináptico excitatorio), pero que ninguna de ellas es lo bastante potente para producir por si sola un potencial de acción en la dendrita postsináptica.

Si ahora estimulásemos dos sinapsis, por ejemplo la 1 y la 2, rápidamente una detrás de la otra. En este caso, los potenciales postsinápticos sufren una suma espacial que sí produce el potencial de acción. Si ahora estimulamos con con la sinapsis 1 o 2 comprobaremos que cada una de estas sinapsis pueden producir un potencial de acción por sí solas. Estas dos sinapsis que se han activado coincidiendo con un potencial de acción se han potenciado, y ahora producen una despolarización mayor que en este caso sí llega al umbral necesario para activar los receptores postsinápticos.

Observemos que la sinapsis 3 —que no ha sido activada en coincidencia con los potenciales de acción anteriores— no ha sufrido potenciación y es incapaz de producir un potencial en la zona postsináptica. Estos significa que la potenciación es específica para las sinapsis que estaban activas simultáneamente al producirse el potencial de acción.

En el caso de la suma temporal, una sola sinapsis que es incapaz de generar potencial puede hacerlo si varios potenciales de sus débiles potenciales se producen en un lapso definido de tiempo (Figura 4b).

Aunque la PLP ha sido registrado en otras regiones, incluyendo zonas neocorticales y en la parte autónoma del sistema nervioso, este proceso ha sido estudiado más extensamente en tejidos del hipocampo con técnicas in vitro. En 1983, Barrionuevo y Brown reportaron que la actividad repetitiva en la terminal dendrítica de una neurona podía afectar la sensibilidad receptora de otra terminal de la misma neurona que no ha sido estimulada, a esto se le conoce como PLP asociativa y sugiere que los mecanismos metabólicos involucrados la PLP son realizados —por lo menos parcialmente—, en el soma neuronal.

Teoría PLP-NMDAR del aprendizaje.

Actualmente no poseemos los datos necesarios que nos permitan perfilar una imagen clara del proceso que subyace al fenómeno de la PLP, los neurobiólogos aún colocan las piezas de un rompecabezas entre cuyos componentes se encuentran los factores de crecimiento, la co-transmisión sináptica, los receptores de tirosina, mecanismos de recaptura, cambios enzimáticos y la estimulación eléctrica. No obstante, existe un consenso general de que un factor central es la activación de transcriptores cuya acción resultante es el incremento en la concentración de Ca²⁺ al interior de la célula postsináptica. Al parecer, en este proceso los receptores de NMDA (NMDAR), de la membrana post sináptica, juegan un papel central por lo que a esta teoría se le conoce como Teoría PLP-NMDAR del aprendizaje.

En las células piramidales del hipocampo se registró una entrada de calcio a través de los receptores tipo NMDA (N-metil-D-aspartato) que posee como ligando natural al neurotransmisor glutamato. El NMDA es una proteína trans-membranal con propiedades particulares, que le permiten intervenir activamente en la modificación sináptica. El receptor tipo NMDA posee la inusual característica de permanecer bloqueado cuando la membrana se encuentra bajo el potencial de reposo. El bloqueo es debido a la ocupación de los canales por parte de iones de magnesio provenientes del medio extracelular, dichos iones son removidos de los canales al presentarse una despolarización de la membrana provocando que los canales "tomen" el glutamato proveniente del botón axónico de la neurona presináptica.

Los receptores de este tipo poseen una alta conductividad de calcio pero el acceso de Ca²⁺ es dependiente de la despolarización de la membrana, la estimulación debe ser los suficientemente fuerte y sostenida como para remover a los iones de magnesio. Así, en algunos experimentos no se logra la presencia de la PLP aún cuando se presente una estimulación repetitiva debido a que la estimulación no fue lo suficientemente larga, por lo cual no se logra el desbloqueo de los canales NMDA, ello impide que el calcio acceda al interior de la célula. Pero si la estimulación es suficiente, el receptor NMDA abre canales iónicos que activan un segundo mensajero, el cual a su vez abre canales por los cuales ingresan a la célula iones de sodio y calcio. El calcio activa diversos péptidos endógenos como la proteína cinasa calcio/calmodulina dependiente II (CaMKII) y kinasas dependientes de tirosina. El resultado final, es la fosforilación de otras proteínas, algunas de las cuales son translocadas al núcleo donde estimulan la actividad de varios factores de transcripción, entre ellos el CREB (cyclic AMP Response Element Binding Protein) (Dudai, 1989). De este modo son activados determinados genes, los cuales codifican proteínas destinadas a modificar (en forma transitoria o permanente), la constitución de la célula (Figura 5).

Figura 5. Mecanismo responsables de la potenciación a largo plazo. Bajo ciertos estímulos los receptores NMDA son activados. Esto permite la entrada de calcio el cual actúa como segundo mensajero y activa diversas kinasas intracelulares desencadenando la fosforilación de proteínas que activan genes encargados de sintetizar péptidos. El resultado es una modificación de Ca2+ en la neurona que facilita o inhibe el posible potencial de acción.

Dos grupos de evidencias apoyan la suposición de que el incremento de calcio en la célula postsináptica está relacionado con la aparición de PLP. Primero, ha sido demostrado que el calcio intracelular se incrementa en proporción a la estimulación y que cuando dicho incremento se impide a través de bloqueadores, el PLP no se presenta. Segundo, la elevación de calcio en la célula postsináptica por medios químicos (evitando la estimulación de alta frecuencia) produce un aumento en la amplitud en el potencial de excitación postsináptico (PEP). De este modo el origen del calcio parece ser irrelevante para la aparición del PLP, no importando si se trata de calcio del exterior o liberado al citoplasma por elementos internos de almacenamiento.

Desde el descubrimiento del PLP ha existido una polémica acerca de si este es causado por una elevación en la cantidad del neurotransmisor liberado o de una mayor sensibilidad de los canales receptores de la membrana postsináptica. Sin duda una de las formas más sencillas y claras de explicar el fenómeno del PLP es señalando un incremento en la cantidad de neurotransmisor que se libera y en efecto se ha observado una mayor cantidad, a veces derivado de un mayor tamaño en los quanta de las vesículas y otras veces por la cantidad de quanta liberados. Esto sugiere la existencia de al menos dos formas de PLP donde ambas células están involucradas, pero ¿cómo una modificación de la membrana postsináptica puede elevar la cantidad de quanta involucrados en la sinapsis?

Si se piensa en la membrana postsináptica como un elemento estático la única explicación es la elevación en el número de quanta que participan en el proceso, pero las investigaciones muestran que en muchos PLP el numero y cantidad de quanta presentes se mantiene constante. La explicación proviene en la capacidad de la membrana postsináptica para modificar el tipo de receptores con los que cuenta. En algunas espinas dendríticas no existen receptores para ciertos neurotransmisores lo que hace que se presente una sinapsis silenciosa, llamada así porque al neurotransmisor no hay nadie "que lo escuche", por supuesto en las sinapsis silenciosas no se produce respuesta en la zona postsináptica.

Shi et al.(1999) ha encontrado que estas sinapsis silenciosas pueden dejar de serlo después de una estimulación frecuente colocando receptores que capten al neurotransmisor. No sólo las sinapsis silenciosas se modifican, en algunas membranas postsinápticas donde conviven dos o más tipos de receptores, el receptor encargado de recibir al neurotransmisor estimulado puede incrementar su número de receptores desplazando al otro tipo de receptor. Esto explica como es que el mismo número de quanta liberado por las vesículas presinápticas altera la fuerza de la respuesta en la célula postsináptica.

No obstante estos eventos no agotan el fenómeno de la plasticidad, en cierta formas de aprendizaje y memoria los receptores NMDA no parecen estar involucrados. Seeburg y Sakman (1991) reportan que en ratones modificados genéticamente para suprimir en ellos los receptores NMDA, la memora espacial no se ve afectada en comparación con los ratones normales y memorizan sin problemas la solución del laberinto de agua de Morris.

Condicionamiento clásico

Una forma sencilla de aprendizaje es el condicionamiento clásico o Pavloviano. Como demostró el psicólogo Ivan Pavlov a finales del siglo XIX, si se presentaba comida a un perro y al tiempo se hacía sonar una campanilla, el animal terminaba reaccionando al sonido sólo igual que reaccionaría a la vista de la comida. Esta forma de aprendizaje se produce de forma parecida en casi todos los animales, incluso en algunos muy elementales.

La Aplysia californica es un gasterópodo marino que tiene un sistema nervioso muy sencillo, y que se ha utilizado mucho para el estudio de la función neuronal. En este animal, si se aplica un estimulo nociceptivo potente, como un pinchazo o un choque eléctrico en la cola, lo cual resulta en una retracción de las branquias. Este es un reflejo defensivo, que tiende a proteger a este animal de un posible daño. En cambio, un estímulo táctil ligero en el sifón no produce esta retracción. Pero si se aplica de forma repetida un estímulo sobre el sifón al mismo tiempo que se produce un estímulo nociceptivo, llega un momento en que sólo un estímulo táctil ligero produce la retracción de las branquias. Este es un reflejo condicionado clásico, semejante al que describió Pavlov en los perros.

El estímulo aversivo en la cola activa neuronas sensoriales que hacen sinapsis y activan a las motoneuronas que controlan la retracción de las branquias. Las neuronas que recogen la sensibilidad del sifón producen una despolarización que no alcanza el umbral de las motoneuronas, lo cual resulta en que no se llega a producir la activación. Pero si se estimula primero el sifón, y a continuación rápidamente se aplica el estímulo aversivo en la cola, la sinapsis entre la neurona del sifón y la motoneurona sufre potenciación, y en lo sucesivo la estimulación del sifón, por si sola, produce la retracción de las branquias (en un experimento real, esta asociación tiene que repetirse muchas veces para que se produzca el condicionamiento).

Las teorías de Pavlov sobre el condicionamiento ejercieron una poderosa influencia sobre la psicología experimental de principios del siglo XX pues establecían, --en apariencia-- las bases para una investigación objetiva. Esta influencia tuvo como resultado el sólido establecimiento del paradigma estímulo-respuesta (E-R) que dominó la visión de los psicólogos por casi todo el siglo. Es difícil imaginar una herramienta más inadecuada que el paradigma E-R cuando deseamos explicar fenómenos psicológicos como la abstracción contextual o las modificaciones intelectuales que se llevan a cabo en un niño de doce años.

Neurotransmisión

La comunicación intercelular es de vital importancia no sólo para mantener a un organismo vivo, sino para brindarle una flexibilidad general a su actividad. Esto es particularmente cierto en el sistema nervioso, dado que es el sistema encargado de coordinar al organismo tanto interoceptivamente como con el medio que lo rodea (Luria, 1990). La células nerviosas se comunican unas con otras por medio de transmisiones eléctricas o por medio de substancias químicas que funcionan como mensajeros. En elk caso de las sinapsis eléctricas, las dos membranas de las células pre-sináptica y postsináptica se tocan directamente, permitiendo el paso de cargas eléctricas. Las sinapsis de este tipo juegan un papel fundamental, sobre todo en el sistema músculo-esquelético, sin embargo, son las transmisiones de tipo químico las que conforman la gran mayoría de comunicaciones que se realizan a lo largo del sistema nervioso. En este trabajo sólo abordaremos el tipo químico de la comunicación neuronal.

Cada neurona utiliza la sinapsis, estructuras especializadas fundamentales para la comunicación de las células nerviosas, el número de sinapsis que una sola neurona puede establecer varia entre una docena y varios miles. Las sinapsis son el medio por los cuales una célula (presináptica) se comunica con otra (postsináptica). En la sinapsis químicas, las células pre y postsináptica nunca llegan a tocarse directamente pues están separadas por la hendidura sináptica.

La célula presináptica posee una extensión especializada de su soma llamada axón, el axón está constituido por una membrana más delgada y de composición química diferente al del resto de la neurona (Bear, 2001). Esto es debido a que una de las características más importantes del axón es su capacidad de transmitir señales eléctricas a través de distancias que pueden llegar a abarcar más de un metro. Otro de los procesos que se lleva a cabo a través del axón es la transportación axónica. Muchas substancias sólo se sintetizan y producen en el soma de la neurona y deben viajar a través de los microtúbulos del axón en un proceso que puede durar desde horas hasta días. En su parte final los axones se ramifican y engruesan y cada una de su puntas recibe el nombre de botón terminal o botón axónico. Cada botón terminal contiene pequeñas estructuras esféricas llenas con algunos miles de moléculas de neurotransmisores llamadas vesículas claras (VC). Al presentarse la estimulación de la célula presináptica debido al potencial de acción estas vesículas descargan su contenido en la hendidura sináptica, a este proceso se le conoce como exocitosis. Las moléculas del neurotransmisor al salir de la célula presináptica recorren la corta distancia que separa las membranas de ambas células y que conforma la hendidura sináptica. Por lo general la membrana postsináptica es parte de una espina dendrítica que contiene receptores especiales sensibles a la presencia del neurotransmisor recién liberado, cuando el neurotransmisor alcanza la membrana postsináptica, activa los canales iónicos que se encuentran en ella. Al activarse estos canales permiten un intercambio iónico entre el interior y el exterior de la célula modificando la composición del citoplasma intracelular postsináptico (Fig. 1) (Südhof, 1995; Lin y Scheller, 2000).

El fenómeno de la exocitosis no implica necesariamente que se establezca una comunicación neuronal, la célula presináptica posee un umbral de activación que si no es alcanzado no produce una respuesta en ella, es decir, la neurona postsináptica debe recibir cierta cantidad de estimulación por parte de la(s) célula(s) presináptica(s). Esto —como veremos más adelante— es de vital importancia en la comprensión de la plasticidad sináptica.

Las sinapsis pueden ser excitatorias o inhibitorias, dependiendo de como la carga iónica afecte a la célula postsináptica. Al abrirse los canales postsinápticos, la carga iónica que inunda a la célula puede provocar un potencial de acción postsináptico, en cuyo caso hablamos de una sinapsis excitatoria, o por el contrario puede derivar en la elevación del umbral de activación, a este tipo de sinapsis se le conoce como inhibitoria.

Además de las vesículas claras, en el botón terminal se encuentran vesículas más grandes llamadas vesículas de núcleo denso (VND) que no contienen neurotransmisores clásico como las VC sino neuropéptidos, la función de las VND es diferente a la de las VC, pero antes de abordar el tema de la función de las VND, es importante conocer las diferencias entre VND y VC. Ambos tipos de vesículas están sujetos a un ciclo vesicular durante el cual cada vesícula es creada, utilizada y desechada por la neurona.

Figura 1. Esquema de una sinapsis que muestra el botón axónico presináptico, la espina dendrítica postsináptica. 1) Vesículas de núcleo denso, 2) grupos de vesículas claras, 3) las líneas punteadas muestran las zonas activas de ambas membranas 4) los canales receptores en la membrana postsináptica, en rojo.

Ciclos vesiculares

Existen importantes diferencias de origen y funcionales entre las VC y las VND, hablaremos primero de las vesículas claras.

En las VC ha sido posible establecer con bastante claridad su ciclo vesicular aún cuando permanecen desconocidos ciertos aspectos de su funcionamiento. El ciclo vesicular de las VC se inicia con la síntesis en el soma celular de enzimas encargadas de catalizar las proteínas precursoras de los transmisores. Estas enzimas viajan a través de la célula haciendo uso del transporte axónico y llegan al botón terminal donde sintetizan al neurotransmisor que permanece libre en el citoplasma del botón terminal.

Las VC se forman en el compartimiento endosomal (Régnier-Vigouroux y Huttner, 1993) y están conformadas por una membrana lípida que en un principio permanece vacía. Al formarse, la membrana de las VC posee una carga positiva gracias a un protón de hidrógeno, esta carga interactúa con enzimas especiales llamadas transportadores, estas enzimas reciben este nombre debido al papel que juegan dentro del ciclo de las VC. Dicho papel consiste en transportar las moléculas del neurotransmisor del citoplasma al interior de las VC hasta que esta es llenada, lo cual modifica la polaridad de la membrana vesicular y debido a ello los transportadores dejan de actuar sobre ella. Una vez llena, la VC migra hacia los alrededores de la zona activa, donde se integra a un primer grupo de vesículas llamado depósito de reserva. El depósito de reserva es el grupo de vesículas claras que se encuentra más alejado de la zona activa, más cerca de esta se encuentra el depósito liberable y junto a la membrana se puede observar el grupo de vesículas que ya está casi en contacto con la zona activa y lista para realizar la exocitosis, a este conjunto de vesículas se le conoce como depósito anclado.

El presentarse un potencial de acción sólo una fracción de las vesículas (las que corresponden al depósito anclado) descarga su contenido, una vez que estas vesículas descargan las vesículas del depósito liberable se aproximan a la zona activa y pasan a convertirse en el depósito anclado, a su vez las vesículas del depósito de reserva se convierten en el depósito liberable.

Dado que la exocitosis de las vesículas claras es un proceso muy rápido, desde hace décadas se sospechaba de algún mecanismo que ayudaba a fijar (anclar) y preparar la fusión entre las vesículas y la membrana de la célula. Recientemente se han descubierto ciertas proteínas que al parecer revelan este mecanismo que ha recibido el nombre de anclaje. Una vesícula anclada permanece muy cerca de la membrana aunque no entra en contacto directo con ella, lo cual se debe a la compleja interacción entre la vesícula, la membrana y un grupo de proteínas especializadas en anclarlas a la zona activa llamadas SNARE. Cada SNARE cuenta con un péptido lipofílico que lo une a la membrana y una cola de péptidos que se proyectan hacía el citoplasma interior. La vesícula poseen un tipos SNARE llamado v-SNAREs (la v es por vesícula), y la membrana exterior posee un o-SNAREs, (o por objetivo). Estos dos complementarios tipos de SNAREs se vinculan para anclar firmemente a las vesículas a la membrana de la zona activa. Aunque la unión SNARE-con-SNARE forma la principal conexión entre la vesícula y la zonas activas, un grupo de proteínas completan y ciertamente hacen más confusa la comprensión del mecanismo que envuelve el anclaje vesicular. La función de la gran mayoría de estas proteínas es desconocida, pero una proteína vesicular, la sinaptotagmina, puede ser un sensor crítico de CA2+. Al inundar el CA2+ la célula la sinaptotagmina acerca la vesícula clara a la zona activa provocando que ésta rápidamente fusione su membrana con la de la célula y vacíe su contenido hacia el exterior. Los canales de calcio que saturan la zona activa pueden ser parte del proceso de anclaje. La colocación de los canales muy cerca de las vesículas ancladas disparan los neurotransmisores con sorprendente rapidez (menor a los 50 milisegundos) en una sinapsis de mamífero a temperatura corporal normal (Ryan y Reuter, 2001). Al producirse una estimulación sostenida en el botón terminal, los diferentes depósitos de VC se agotan, se dice entonces que las VC están depleciadas (vacías). Debe transcurrir cierto lapso de tiempo para que las vesículas vuelvan a cargarse y los depósitos a formarse.

El proceso de exocitosis es seguido por la endocitosis, durante la cual la membrana vesicular es recuperada y su carga protónica modificada de nuevo para que los transportadores de nuevo actúen sobre ella y vuelvan a llenarla con moléculas del neurotransmisor. Al parecer, los endosomas son una parte importante en el fenómeno de la endocitosis, tanto en le caso de las VC como de las VND (Partoens & Slembrouck 1998). El ciclo vesicular completo de las VC puede observarse en la figura 2.

Figura2. El ciclo vesicular. 1) Una membrana vesicular vacía recién formada por el endosoma entra en contacto con enzimas transportadoras que almacenan los neurotransmisores en su interior, 2) la vesícula se translada a las proximidades de la membrana . 3) la vesícula es "anclada" a la zona activa, por medio de proteínas SNARE, 4) al introducirse los iones de calcio la vesícula libera su contenido en la hendidura sináptica, 5) la vesícula se funde con la membrana y se expande hasta quedar vacía (exocitosis) 6) la vesícula retorna al citoplasma interior (endocitosis), 7) la vesícula vacía modifica su gradiente protónico para que los transportadores vuelvan a 'cargarla' de neurotransmisores.

Por lo general, en el caso de los neurotransmisores, después de realizarse la exocitosis de las vesículas claras se presenta un mecanismo especial que retira el exceso de neurotransmisor que queda libre entre las membranas. Existen varias maneras por las cuales se "limpia" la hendidura sináptica después de una exocitosis pero los más usados son la reabsorción del neurotransmisor por parte de la membrana presináptica y la degradación del transmisor por una enzima específica a ese transmisor.

En contraste con el cuadro claro y hasta cierto punto completo que se puede apreciar en el ciclo de las VC, importantes puntos del ciclo vesicular de las VND son hasta la fecha objeto de intenso debate e investigación. En el caso de las VND se ha comprobado que la liberación de los neuropéptidos se lleva a cabo a través de un proceso de exocitosis, si bien existe la importante diferencia de que las VND no parecen acercarse a la zona activa para descargar su contenido (Chow, 1992; Pow y Morris, 1989; Taxi, 1967). Ejemplos de exocitosis de VND fueron observadas en imágenes de microscopía electrónica, dichas exocitosis ocurrían en zonas no especializadas de la membrana celular (Fillenz, 1971;Pecot-Dechavassine y Brouard, 1997). No existe una explicación al mecanismo de segregación de VND y VC, ni siquiera se sabe si dicho mecanismo existe. Shin et al. (2002) reporta que las VND no requieren de las sinaptotagminas de la zona activa, las cuales son necesarias para la fusión de las VC, no obstante, las VND podrían utilizar algunas proteínas de la membrana como sensores de calcio para "orientarse" hacia la pared celular.

Algunos autores sugieren que las VND se encuentran lejos de la zona activa por el simple hecho de que las VC ya han ocupado ese espacio del botón pero lo cierto es que en los botones terminales cuyas VC han sido depleciadas por estimulación eléctrica las VND no ocupan su lugar. Algunos estudios sugieren que las VND se acomodan cerca de algún depósito interno de Ca2+ como las mitocondrias (Tse y Tse, 1999; Karhunen et al., 2001).

Sin embargo, Somogyi et al. (1984) mostraron que algunas VND son ancladas y realizan su liberación en los bordes de la zona activa en el sistema nervioso central de los mamíferos. Considerando esta información, esta claro que la discusión sobre la morfología de la exocitosis en las VND está lejos de su conclusión. Así pues, las VND y las VC poseen mecanismo de exocitosis semejantes pero no iguales.

A diferencia de las VC, el contenido y la membrana de las VND se sintetizan en el soma, en las zonas externas del aparato de Golgi (Winkler y Fischer-Colbrie, 1990). Las membranas de las VND son llenadas con precursores del neuropéptido, de ahí las VND deben ser transportadas por los microtúbulos del transporte axonal hasta el botón terminal, durante el trayecto, los precursores de su interior sufren transformaciones químicas hasta alcanzar su composición final. Mientras las vesículas claras se fusionan y liberan sus neurotransmisor en la zona activa, las VND realizan su exocitosis en cualquier punto de la membrana y bajo diferentes condiciones pues las VC liberan su neurotransmisor al presentarse cualquier potencial de acción mientras que las VND necesitan de un tren de alta frecuencia en la estimulación para realizar su exocitosis (Lundberg et al., 1994). Bruns y Jahn (1995) en su investigación sobre exocitosis evaluaron el número de moléculas liberadas individualmente tanto en una VC como en una VND en neuronas serotoninérgicas, encontrando que en el caso de las VC se liberaban cerca de 4,700 moléculas en comparación con las 80,000 de una VND en neuronas cultivadas de sanguijuela. Los neuropéptidos que las VND liberan al medio extracelular pueden tener una función inhibitoria o excitatoria en la célula postsináptica y a diferencia de los neurotransmisores no ha sido posible establecer algún mecanismo de degradación o recaptura de los neuropéptidos. La tabla 1 agrupa las principales diferencias entre VC y VND.

Tabla 1. Diferencias entre VC y VND

El hecho de que existan diferencias tan importantes entre estos tipos de vesículas supone que realizan funciones diferentes en la comunicación neuronal. Se ha propuesto que las VC se encargan de mantener una comunicación primaria mientras que los neuropéptidos de los VND modulan con su presencia la facilitación o inhibición de la comunicación neuronal, por este hecho se le ha llamado neuromoduladores.

Figura 3. imagen de microscopia electrónica que muestra un botón terminal con VND un grupo de VC frente a las dos líneas obscuras que conforman la zona activa (ZsA). En el extremo derecho la zona postsináptica (ZP).

¿Pero cómo es que las vesículas "saben" en que momento liberar su carga y cómo el potencial de acción provoca la aparición de la exocitosis?. La liberación, tanto de neurotransmisores como de neuropéptidos es condicionada por la presencia de un elemento particular: el calcio intracelular.

El origen de la despolarización neuronal es la modificación repentina y momentánea de la membrana celular a causa de un potencial de acción. La despolarización de la membrana presináptica por un potencial induce un incremento de los iones de calcio en la zona intracelular, [Ca2+ ]i, y eleva la probabilidad de que se presente la exocitosis en las vesículas sinápticas. Los potenciales de acción pueden tener diferentes formas, esto es, diferentes amplitudes y lapsos temporales, su forma depende del tipo de canal sensible al voltaje y del ion que corresponde a cada canal. Los potenciales de acción más importantes son los dependientes de sodio y los dependientes de calcio. Este último tipo de canal es el responsable del proceso de liberación de neurotransmisores y neuropéptidos en el botón terminal (Hammond, 1996).

La liberación de las VC es discontinua pues las moléculas del neurotransmisor estos están "empacadas" en paquetes llamados quanta, el contenido total de una vesícula sináptica es un quantum (Del castillo y Katz, 1954). Entre los eventos indispensables para la liberación de algún neurotransmisor, el incremento de iones de Ca2+ al interior del botón terminal ha sido firmemente establecido.

En la célula presináptica en reposo la concentración de iones de Ca2+ es muy baja, alrededor de 10-7 M. Esta concentración intracelular de Ca2+ , es al menos diez mil veces más pequeña que la existente en el medio extracelular, los niveles de Ca2+ tanto dentro como en el exterior del botón terminal son creados y mantenidos por mecanismos especiales llamados bombas de calcio, cuya función es mantener bajos los niveles de [Ca2+]i expulsando continuamente los iones de Ca2+ que se encuentran en el citoplasma de la célula. De este modo se crea el escenario para que al abrirse los canales de calcio dependientes del voltaje los iones de Ca2+ inunden el botón terminal y la exocitosis se produzca.

Se ha observado que en un medio extracelular privado de iones de Ca2+ el potencial postsináptico no es observado, aún cuando el potencial presináptico se mantenga sin cambios. Esto se explica porque los canales de calcio dependientes de voltaje se abren pero sin Ca2+ no pueden elevar la carga de iones y por lo tanto la exocitosis no se presenta.

Los canales de calcio se encuentra ubicados estratégicamente en la membrana presináptica, existen canales en toda la membrana del botón pero las concentraciones de canales calcio formando microdominios se pueden observar incrustados en el área de la zona activa, estas concentraciones son al menos diez veces mayores que en otras zonas del botón, explicando así que la secreción de neurotransmisores sea realice de una forma tan rápida.

Al presentarse un potencial de acción los canales de Ca2+ dependientes del voltaje se abren para dejar pasar los iones al interior de la célula, estos iones interactúan con las proteínas SNARES encargadas de anclar y fusionar la membrana de la vesícula con la membrana del botón con el resultado de la expulsión del neurotransmisor a la hendidura sináptica. En el caso de las VND el incremento en la concentración de iones de Ca2+ en el citoplasma intraneuronal también es requisito indispensable para que la exocitosis se presente.

Transición de los depósitos vesiculares

En un estudio reciente Voets (2000), desarrollo un método que permite la disección de diferentes etapas dependientes de Ca2+ en la fusión de las VND en las células cromafinas del sistema adrenal del ratón. En la primera ocasión dos tinturas sensitivas al Ca2+ con diferente afinidad al Ca2+ fueron combinadas , lo cual posibilito la medición precisa del [Ca2+]i arriba de las 300 µM.Simultáneamente, la respuesta de secreción fue monitoreada midiendo el tiempo en que se alcanzaba la descarga en la membrana. Usando esta técnicas, tres distintas acciones del [Ca2+]i pudieron ser separadas y descritas de una manera cuantitativa: Niveles sub-micromolares de [Ca2+]i causa la transición de vesículas que se encuentran en el depósito anclado de un estado de anclaje a un estado de posibilitación de liberación, mientras que al elevarse los niveles de [Ca2+]i a 3 µM se observa la fusión de las vesículas. Correlacionando estos resultados con hallazgos previos del rol de las proteínas SNARE en el proceso de exocitosis (Xu et al., 1999), aparece un sólido cuadro donde el Ca2+ actúa tanto antes, como después de la formación de complejas proteínas trans-SNARE que regulan la competencia así como la actividad cinética de las VND. Con este y otros métodos probablemente se hallará en el futuro más información sobre las diferentes maneras en que el Ca2+ actúa en el intrincado proceso molecular de exocitosis en las VND.

El Ca2+intracelular

Recientemente se ha demostrado que un organelo sensitivo a la rianodina, -- presumiblemente el retículo endoplásmico liso (REL) -- aporta hasta el 46% del Ca2+ en una elevación de disparo en el nervio preganglionar de la rana toro. De hecho sin esta contribución del REL, el Ca2+ nunca se elevó más allá del umbral necesario para la liberación del neurotransmisor en la mitad de las terminales (Peng, 1996). Por otra parte, se encontró una dependencia entre la regulación mitocondrial del CA2+ y la frecuencia en la liberación de neuropéptidos en estas terminales. (Peng, 1997, 1998). De este modo, se establece la hipótesis en la cual la liberación de neurotransmisores y neuropéptidos no depende únicamente de la introducción de iones de Ca2+ a través de la membrana, sino que los organelos internos aportan una cantidad significativa de ellos (ver Figura 4).

Aparentemente no sólo el REL tiene un papel en la regulación del calcio neuronal, se sabe que las mitocondrias pueden acumular cantidades significativas de Ca2+, durante las décadas de los 70's y 80's la alta concentración de Ca2+ en las mitocondrias fue considerado como un síntoma de estados patológicos en la composición molecular del citoplasma.

Figura 4. Esquema de la unidad funcional que controla la homeostasis intracelular del Ca2+, formada por los canales de Ca2+ dependientes de voltaje (CCVD), el retículo endoplásmico (R.E.) y la mitocondria (M).

Debido a que la elevación de Ca2+ incrementa el metabolismo de importantes enzimas mitocondriales, existe la presunción de que la captura de Ca2+ por parte de la mitocondria coordina la producción de energía que la célula necesita (McCormack, et al., 1990; Gunter et al. 1994; Hajnóczky et al. 1995). Recientemente, la existencia de nuevos indicadores de iones de Ca2+ ha posibilitado el estudio de la captura de Ca2+ en la mitocondria viva y su rol específico en la actividad de este organelo. Señalización de poblaciones de células con niveles elevados de Ca2+ en el citoplasma reportan un rápido y sostenido incremento de Ca2+ en el espacio intramitocondrial (Cam). Esto sugiere que las mitocondrias toman el Ca2+ del que se encuentra libre en el citoplasma que las rodea (Cac) (Rizzuto et al., 1992; 1993, 1994; Rutter et al., 1993, 1996; Lawrie et al., 1996). Es estudios complementarios, substancias inhibidoras de la membrana mitocondrial que impiden la toma de Ca2+ comprometen severamente los niveles de Ca2+ después de una marcada elevación, lo que indica que la acumulación de Ca2+ intermitocondrial es un importante factor en la homeostasis de Ca2+ en la célula (White y Reynolds, 1995; Herrington et al., 1996; Park et al., 1996).

La elevación de los niveles de calcio intraneuronal es, por l menos en el inicio, factor fundamental para el establecimiento de la potenciación a largo plazo que, como ya hemos dicho, parece estar involucrado en la plasticidad sináptica. Hemos hablado del Ca2+ que se encuentra en el medio extracelular pero no debemos olvidar que la neurona cuenta con depósitos propios. No esta claro que tan importante es la homeostasis de calcio por parte de la mitocondria en la comunicación neuronal. Algunos autores sugieren que esta homeostasis es muy importante en el ciclo vesicular mientras otros opinan que la captura y liberación de Ca2+ de la mitocondria es debido a una función metabólica normal pues el exceso de Ca2+ resulta tóxico para la célula y debido a esto el Cam no está involucrado con el proceso de exocitosis (Donner et al., 1997).

La hipótesis de trabajo es que la estimulación de alta frecuencia induce modificaciones en la distribución de las vesículas de núcleo denso en las terminales sinápticas del ganglio cervical de la rata.

Metodología

Sujetos

Se utilizaron 12 ratas Wistar (30-40 días), machos adultos divididos en dos grupos de seis sujetos. Los sujetos pesaban entre 200 y 300 grms.

Experimentos

Las ratas se anestesiaron con xilazina (10 mg/Kg i.m.) y ketamina (90 mg/Kg ip.). Se operó a cada sujeto para aislar y estimular in vivo el nervio preganglionar cervical. La estimulación se realizó por sesenta segundos a 40 Hz.

Protocolo

Inmediatamente después de concluida la estimulación, el ganglio se fijó in situ por 15 minutos usando una solución de paraformaldehido al 4% y de glutaraldehido al 2% en solución de fosfato tamponado (PBS) al 0.1 molar. Después de ese lapso el ganglio se extirpo, fue cortado en tres secciones y permaneció por 24 horas en dicha solución.

Se procesó con la técnica de rutina de Microscopia Electrónica (Bachoo, M., Morales M., y Polosa, C. 1992; Morales, M., Bachoo, M., Beaudet, A., Collier, B., y Polosa, C., 1993). En breve el ganglio fue tratado, deshidratado, postfijado con tetra óxido de osmio y puesto en resina para su polimerización. Con un ultramicrotomo se obtuvieron cortes de 75 nm de grosor y dichos cortes fueron observados usando un microscopio electrónico JOEL 210. Los botones sinápticos que contaban con zona activa fueron localizados y se les tomó una micrografía en aumentos que variaban de 25 a 40 mil.

Análisis de las micrografías

Las micrografías obtenidas fueron digitalizadas con un scanner Hewlett-Packard usando el formato tiff. Dado que las imágenes digitalizadas se adquirieron de negativos fue necesario invertir la escala de grises de las mismas, para ello se uso el programa Gimp en su versión 1.3. Con el mismo programa se numeraron las vesículas halladas en cada botón sináptico.

Posteriormente, para realizar el análisis morfométrico se utilizó el programa ImageJ en su versión 1.3. Cada imagen se calibró en nanómetros considerando los aumentos del microscopio electrónico al momento de tomar la foto. Se obtuvieron las distancias entre las VND y la membrana, la mitocondria mas cercana y la zona activa. Además se obtuvo el área de cada botón terminal y el número de vesículas. Los datos fueron almacenados en una base de datos PostgreSQL y se programó una pequeña aplicación en PHP para su consulta en ambiente Web.

Parámetros analizados

Figura 1. Ejemplo de análisis de la distribución de VND en un botón terminal, la línea roja marca el perímetro del botón, la línea azul señala la distancia más cercana entre una VND y la membrana, la línea verde indica la distancia entre una VND y la zona activa señalada.

Los resultados preliminares muestran que la estimulación de alta frecuencia provoca una disminución en la densidad de las VND en los botones sinápticos (de 8,9 a 5,1 vesículas/µm2,p<0.05); así como una disminución significativa en el número de vesículas que se encuentran a 20 nm de la membrana (de 25 a 9 vesículas, p<0.05).

Ejemplos de botones sinápticos

Figura 2. Se muestran ejemplos de botones sinápticos, control y estimulado, en los cuales se señala la membrana del botón (línea continua), las VND, y una distancia de 20 nm de la membrana (línea discontinua). La calibración corresponde a 200 nm.

Distribución y densidad de VND en botones sinápticos

Figura 3. A. Distribución de las VND en relación a la membrana del botón sináptico, se observa una disminución significativa en el número de VND en la cercanía de la membrana (<20 nm). B. Se muestra la densidad de VND en los botones control y estimulado. (En ambos casos * indica p<0.05).

Distribución de VND en relación a la zona activa

Figura 4. Distribución de las VND en relación a la zona activa. Se observa que en los botones controles las VND se distribuyen preferentemente alrededor de 200 nm de la zona activa, mientras que en los botones estimulados las VND se encuentran más alejadas de la zona activa (400-800 nm).

Conclusiones

Los resultados de la presente investigación señalan que la estimulación del ganglio simpático con un tren de alta frecuencia, de características similares al utilizado habitualmente para inducir fenómenos de potenciación sináptica, provoca una disminución significativa en la densidad de VND en los botones sinápticos. Estos cambios se deberían a la liberación de las vesículas que se encuentran en la cercanía de la membrana.

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Última actualización: 2007-04-29 10:56:59-05