Presentacin de PowerPoint

MECANISMOS MOLECULARES DEL APRENDIZAJE Y LA MEMORIABear, M.F, et al. Neuroscience: Exploring the Brain. William & Wilkins. 2007.INTRODUCCINNeurobiologa de la memoria: Dnde y cmo se almacena la informacin.Hebb: las memorias resultan de alteraciones en las sinapsisInvestigacin enfocada en encontrar la base fsicaDilema: demasiado pequeas y distribuidasMemoria procedural de animales invertebradosAlteraciones duraderas en la efectividad de las sinapsis en el cerebro son la base de la memoria.Estimulacin elctrica del cerebro: produccin de alteraciones sinpticas medibles Aprendizaje proceduralPor qu el estudio de la memoria procedural?Memorias declarativas vs Memorias procedurales (Aprendizaje no asociativo y Aprendizaje asociativo)APRENDIZAJE NO ASOCIATIVOHabituacin: Aprender a ignorar un estmulo que pierde significadoSensibilizacin: Aprender a intensificar la respuesta a un estmuloCambio en la respuesta conductual que ocurre con el tiempo en respuesta a un solo tipo de estmulo

APRENDIZAJE ASOCIATIVOFormacin de asociaciones entre eventosCondicionamiento clsico: Asociar un estmulo que evoca una respuesta medible con otro estmulo que normalmente no evoca esta respuesta.

Requiere entrenamientoCondicionamiento instrumental: Asociar una respuesta conductual con un estmulo significativo (reforzador o evitacin de estmulo aversivo)

Motivacin: circuitos neuronales ms complejos que en el condicionamiento clsico

Sistemas simples: Modelos con invertebradosVentajas experimentales en el uso del SN de invertebradosSN pequeoNeuronas grandes: fcil estudio electrofisiolgicoNeuronas identificables: tamao, localizacin, propiedades electrofisiolgicasGentica simple: genoma y ciclo de vida pequeo.

Repertorio conductual limitado y presentan las formas simples de aprendizaje

Aprendizaje no asociativo en la Aplysia

BranquiaReflejo de retraccin de la branquea:

Informacin sensorial del sifn a neuronas motoras e interneuronasHabituacin del reflejo de retraccin de la branquea: despus de la presentacin repetida del chorro de agua (estimulacin del sifn lleva a menor contraccin de la branquiaCules son los cambios que ocurren durante la habituacin?

Nervio sensorial del sifn En el msculo (hacindolo menos responsivo a L7)En la sinapsis entre la neurona sensorial y la motoraSegua disparandoSegua evocando contraccin al estimular L7

12Estimulacin elctrica repetida de una neurona sensorial conduce a un potencial elctrico postsinptico progresivamente menor en la neurona postsinptica motora.

Modificacin pre sinptica: menos NT liberadoPotencial de accin

Entrada de calcio a la terminal sinptica (Canales de Ca dependientes de voltaje)

= Liberacin de NTMenos efectivos con la habituacin en la Neurona sensorialSensibilizacin del reflejo de retraccin de la branquea: Es el resultado de la modificacin en la liberacin de NT en la terminal nerviosa sensorialBreve descarga en la cabezaContraccin exagerada de la branquia

(Interneurona)Sinpsis axoaxnica de L29 con la neurona sensorial (Serotonina)=Sensibiliza la terminal axnica sensorialSe activa L29 en respuesta

Prolongacin del potencial de accin pre sinpticoMs entrada de CaMs NT liberado por potencial de accinCAMPAMP cclico producido por la accin de la enzima Adenilciclasa en ATPAprendizaje asociativo en la AplysiaCondicionamiento clsico de la Aplysia EI: descarga elctrica en la colaLiberacin de Serotonina por L29+EC: estimulacin ligera del sifn que por si sola no llega a contraer la branquia (debe preceder al EI)Llegada de un potencial de accin en la terminal axnica sensorial=Condicionamiento clsico

Entrada de Calcio pre sinpticaActivacin de la enzima Adenylciclasa por protena GEl aprendizaje ocurre cuando un pulso pre sinptico de Ca coincide (o precede) la activacin de la enzima adenylciclasa (por protena G) que estimula la produccin de ms AMPc

En resumen:Los estudios en invertebrados han permitido conocer que:El aprendizaje y la memoria pueden resultar de las modificaciones en la transmisin sinpticaLas modificaciones sinpticas pueden ser disparadas por la conversin de actividad neural en segundos mensajeros intracelularesLas memorias pueden resultar de alteraciones en protenas sinpticas existentesMecanismos de aprendizaje en los vertebradosPlasticidad sinptica en la corteza cerebelosaAnatoma de la corteza cerebelosaClulas de Purkinje: Clulas GABArgicasAferencias de Oliva inferior (Fibras trepadoras) Aferencias de clulas granulares (Indirecta de fibras musgosas)Clulas granulares cerebelosas: Ramificacin en T en la capa molecular (Fibras paralelas)Sinapsis con c. de Purkinje por medio de ramificaciones

Anatoma de la corteza cerebelosaAlbus (1970) propuso:El estmulo de la fibra trepadora conduce seales errneas que indican que un movimiento no ha cumplido las expectativas.Se realizan correcciones, ajustando la eficacia de los estmulos de las fibras paralelas hacia las clulas de Purkinje.

Depresin a Largo Plazo en la corteza cerebelosaIto y cols. (1982)Estimulacin en fibras paralelas y medicin de PEPS en clula de PurkinjeEmparejamiento de estimulacin en fibras trepadoras con estimulacin en fibras paralelas

Respuesta postsinptica menor en clulas de Purkinje al estimular fibras paralelas (Modificacin mnimo 1 hora)CondicionamientoDLP en corteza cerebelosaLa DLP slo se produce en sinapsis de fibras paralelas activas al mismo tiempo que fibras trepadoras

Especificidad de aferencia o de entrada: Plasticidad sinptica slo en aferencias activas

Mecanismos de DLP cerebelosa

Mecanismos de aprendizaje en los vertebradosPlasticidad sinptica en el hipocampoAnatoma sinptica del hipocampoCircunvolucin dentadaAsta de Ammon CA3: Se conecta con la corteza entorrinal por medio de axones de la circunvolucin dentada que provienen de la va perforante.CA1: Establece sinapsis con la rama colateral de Schaffer (axones de CA3).

Propiedades de la potenciacin a largo plazo en CA1 Se monitorea la eficacia de las sinapsis de la colateral de Shaffer.

Se da un breve estmulo elctrico a un haz de axones presinpticos.

Se mide la magnitud del PEPS resultante en una neurona CA1 postsinptica.

Estimulacin de prueba cada minuto ms o menos durante 15 30 min para asegurarse que la respuesta basal es estable.

Se induce PLP en la aferencia 1, proporcionando una estimulacin tetnica. Se registra la respuesta de una neurona de CA1 cuando se estimulan alternativamente dos entradas.

Normalmente sta estimulacin tetnica induce la PLP, y la estimulacin de prueba posterior evoca un PEPS que es mucho mayor de lo que era durante el periodo basal inicial.

Estimulacin tetnica:Modificacin en las sinapsis estimuladasDe forma que stas son ms eficacesOtras aferencias sinpticas en la misma neurona que NO RECIBIERON estimulacin tetnica, NO mostrarn PLP.

PLP en el hipocampo presenta especificidad de aferenciaPLP es especfica de aferencia por lo que no hay cambio alguno en la respuesta a la aferencia 2, tras proporcionar una estimulacin tetnica a la aferencia 1.Despolarizacin con una estimulacin tetnica:La sinapsis debe ser estimulada a frecuencias elevadas para PEPS.Activacin simultanea de suficientes sinapsis para causar la sumacin espacial significativa de PEPS. COOPERATIVIDAD.

Cooperatividad de la PLP del Hipocampo para formar asociaciones.

Una neurona en el hipocampo que recibe aferencias sinpticas de tres procedencias: A, B y CMecanismos de la potenciacin a largo plazo en CA1

Receptores de NMDA activados mediante actividad pre y postsinptica simultanea.Plasticidad sinptica: El momento lo es todo.Donald Hebb propuso que cada sinapsis se hace ms potente cuando interviene de forma eficaz en la activacin de la neurona postsinptica.

Elevacin de la entrada de Calcio Postsinptica induccin del PLP.

Inhibicin farmacolgica de receptores NMDAEvitacin de los aumentos de la entrada de calcio mediante la inyeccin de un quelante del Calcio en la neurona postsinpticaEvitacin de la induccin de PLPActiva DOS proteincinasas:

Proteincinasa CProteincinasa II dependiente de calcio y calmodulina. CaMKII

INHIBICIN farmacolgica de una u otra cinasas bloquea la induccin de la PLP Vas para la expresin de PLP en CA1

Aumento de la eficacia de AMPA postsinpticos por fosforilacin.Por proteincinasa C CaMKII aumentando conductancia inica del canal

La otra vaConduce la insercin de los receptores AMPA nuevos en la membrana postsinptica.

Depresin a largo plazo en CA1Los RECUERDOS se codifican como PATRONES especficos de cambio sinptico:

Algunas sinapsis:

Teora BCMSinapsis activas cuando clula postsinptica dbilmente despolarizada por otras aferencias PRESENTAR DLP en lugar de PLP.Crecen ms potentes.

Y otras ms dbiles.

Cmo puede la misma seal, la entrada de Calcio a travs del receptor NMDA, desencadenar tanto PLP como DLP? Nivel de activacin der receptor NMDA

Neurona postsinpticadespolarizada debilmemte.

Neurona postsinptica muy despolarizada.

Estos tipos diferentes de respuesta al calcio activan selectivamente distintos tipos de enzimas. En lugar de cinasas activadas por entradas de Calcio elevadas Aumentos modesto y prolongados de la entrada de Calcio activan PROTEINAS FOSFATASAS.

Si PLP incorpora grupos fosfatoDLP aparentemente los extrae.

Receptores AMPA se desfosforilan en respuesta a la estimulacin que induce la DLP

Induccin de DLP en hipocampo tambin puede asociarse a la internalizacin de receptores de AMPA en la sinapsis.

PLP y DLP reflejan la regulacin bidireccional tanto de la fosforilacin como de los receptores de AMPA postsinpticos.

Potenciacin a largo plazo, depresin a largo plazo y memoria.Estudios plasticidad sinptica dependiente de NMDAr caracterizada en Hipocampo tambin se produce en NeoCx.Estimulacin tetnica: Resultados como en CA1 de rata1 Hz DLP100 Hz PLPQu datos vinculan la PLP y DLP a la memoria?Observacin de molculas en PLP y DLP/aprendizaje y memoria. Ambas necesitan la activacin de NMDAr.- Antagonista de NMDAr en Hipocampo:

- No lograban aprender las reglas del juego ni la localizacin de la plataforma para escapar.

Primera prueba de que los procesos dependientes de NMDAr desempean un papel en la memoria.Susumo Tonegawa Nuevo enfoque de la base molecular del aprendizaje y la memoria: las molculas y el comportamiento deban estar conectados mediante manipulacin gnica de animales de experimentacin- Eliminacin de un gen para una subunidad () de CaMKII deficiencias paralelas en la memoria y la PLP del hipocampo.Enfoque gentico:Tsien y cols.Delecin gnica de NMDAr en CA1 dficit de PLP, DLP y rendimiento en el laberinto acutico.Animales (ingeniera gentica) que producen demasiados NMDAr Aumento en la capacidad para aprender algunas tareas.

Limitaciones: efectos secundarios en produccin de protenas.

BASE MOLECULAR DE LA MEMORIA A LARGO PLAZOLa memoria puede resultar de:

Alteraciones dependientes de la experiencia de la transmisin sinptica modificada por cambios en grupos fostatos fijados a protenas en la membrana sinptica.

Aplysia (sensibilizacin y condicionamiento) canales de potasio en la membrana presinptica.DLP y PLP en mammeros receptor AMPA postsinptico y en protenas reguladoras de receptores AMPA en sinapsis.

Aadir grupos fostafos a una protena puede cambiar la eficacia sinptica y formar un recuerdo.

Problemas:Ni la fosforilacin y las molculas proteicas son permanentes. Proteincinasas persistentemente activasFosforilacin de protenas sinpticas, y la memoria:Mantenidas si cinasas permanecen activas todo el tiempo. Slo existe un segundo mensajero.

Y si el aprendizaje modifica estas cinasas de manera que no necesitara el segundo mensajero?

- CaMKII y PLP. Las proteincinasas importantes permaneceran fosforiladas todo el tiempo.Permanece activa mucho despus de que la (Ca2+) haya vuelto a descender a un nivel bajo.

Hiptesis del cambio molecular:Una cinasa que se autofosforila podra almacenar informacin en la sinapsis. - John Lisman Sntesis de protenas.Inyeccin de inhibidores de la sntesis de protenas en los cerebros de animales de experimentacin cuando ensean a stos a realizar una tarea y evaluacin deficiencias de aprendizaje y memoria.

Consolidacin de la memoria. Necesidad de sintetizar nuevas protenas durante el periodo de consolidacin de la memoria (cuando los recuerdos inmediatos se convierten en recuerdos a LP.

Efectos en Aplysia* e hipocampo*Interpretacin de resultadosLa formacin de la memoria implica inicialmente, la rpida modificacin de protenas ya existentes.Estas modificacin con ayuda de cinasas persistentemente activas, actan contra los factores que borraran recuerdos (como el cambio molecular).

Cambio temporal en sinapsis a cambio permanente.Protena de unin a elementos de respuesta al AMPc y memoria.Sntesis proteica:Generacin de un transcrito de ARNm de un gen.Regulado por factores de transcripcin:CREB (cyclic AMP response element binding protein) --- se une a CRE (cyclic AMP response elemnts)------ regula la expresin de genes vecinos.Qu regula la sntesis proteica necesaria para la consolidacin de la memoria?

CREB

PKATully y Yin (1994)

Crianza de Drosophila

1. Copias extra de CREB-2 (dCREBb) al entrar en calor. Represin de genes regulada por CRE Bloqueo de la consolidacin de la memoria en tarea asociativa.

2. Copias extra de CREB-1 (dBREBa)Aprendizaje en un solo intento de prueba /moscas sin copia extra tardan en aprender varios das.

* CREB tambin participa en sensibilizacin Aplysia y en PLP y memoria espacial en ratones.CREB regula la expresin gnica necesaria para la consolidacin de la memoria en la mosca de la fruta. Cmo hace uso la sinapsis de la expresin gnica y la nueva protena?- Plasticidad estructural y memoriaProduccin de nuevas sinapsis.*Aplysia: Sinapsis identificadas generadas por la neurona sensitiva en el reflejo de retraccin braquial Sensibilizacin a LP (no CP) duplica el nmero de sinapsis establecidas / disminuye a la misma velocidad que la MLP.En invertebrados: MLP asociada a nuevas sinapsis.Olvido asociado a prdida de sinapsis.

- Cambios estructuralesAmbientes enriquecidos

Rata de laboratorio en entorno complejo

Aumento (25%) del nmero de sinapsis por neurona en CxO.

mamferos

Limitaciones

En aplysia: habituacin Disminucin (1/3) de sinapsis establecidas por la neurona sensitiva.DLP en Cx Cerebelosa: Disminucin de sinapsis entre fibras paralelas y clulas purkinje.

Plasticidad estructural * Cerebro adulto: perodos crticos.

COMENTARIOS FINALESAprendizaje y memoria se pueden producir en la sinapsis independientemente de la especie, la localizacin cerebral y el tipo de memoria. Representacin de los acontecimientos1 Actividad elctrica2 Molculas segundos mensajeros3 Protenas sinpticas existentes

Participacin del Ca2+Permanentes y MLPAlteracin de la estructura de la sinapsis.

Sntesis de protenas y ensamblaje de nuevos microcircuitos. BibliografaMorris. R., Anderson E., Lynch G.,& Baudry M.(1986) Selective impairment of learning and blockade of long-term potentiation by an N-methyl-D-aspartate receptor antagonist, AP5. Nature 319, 774-6Silva, A., Stevens, C., Tonegawa, S. & Wang, Y. (1992) Deficient Hippocampal Long-Term Potentiation in o-Calcium-Calmodulin Kinase Mutant Mice. Science 257, 201-6Tsien, J., Huerta, P. & Tonegawa, S. (1996) The Essential Role of Hippocampal CA1 NMDA ReceptorDependent Synaptic Plasticity in Spatial Memory. Cell 87, 1327-38. Eichenbaum, H. & Harris, K. (2000) Toying with memory in the hippocampus. Nat Neurosci. 3 (3) : 205-6FIN