PlasticidadneuralCambiosen el número,tipo y funciónde lasconexionesdel sistemanervioso,en la morfologíay función de la glía y en las interaccionesneurona-glía 'son la base de la adaptación de los vertebrados a condicionesambientales

y fisiológicascambiantes.Agrupados bajo la denominación"plasticidad neural",

estos cambiossubyacen bajo el aprendizaje,la respuesta a la deshidratacióno la reparaciónde lesiones

Manuel Nieto Sampedro

El término plasticidad fue intro-ducido en 1890 por el psicólogoWilliam James para describirla naturaleza modificable del

comportamiento humano. En los últi-mos años del siglo XIX,Santiago Ramóny Cajal propuso que estas modificacio-nes comportamentales tendrían segura-mente un sustrato anatómico. Sin em-bargo, tras la muerte de Cajal se adoptóuna forma rígida de ver el sistema nervio-so central (SNC) adulto. Suponíase que,una vez terminado su desarrollo, la ana-tomía del SNC se mantenía inalterable,salvo los procesos degenerativos.

Frente a esa corriente de opinión gene-ral,Liu y Chambers demostraron en 1958el fenómeno de formación de brotes axo-nales en el SNC adulto. En los tres últi-

mos decenios se han acumulado prue-bas abrumadoras de que el sistemanervioso mantiene, durante toda la vidadel organismo, la capacidad de modifi-cación anatómica y funcional.

Se admite hoy que las redes neurona-les que componen el sistema nervioso delos mamíferos permanecen plásticas,modificables, a lo largo del curso enterode la vida de estos organismos. Dichaplasticidad constituye una de sus adap-taciones más importantes. Englobadobajo la denominación de plasticidad neu-ral (neural se refiere a neuronal y glial),el concep!o está plenamente aceptado.

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Ahora se trata de descubrir sus basescelulares y moleculares. Los estímulosque inducen la plasticidad neural abar-can experiencias de todo tipo, presionesambientales, modificaciones en el estadointerno del organismo o lesiones.

Neuronas y glía:una unidad funcionalLas principales clases celulares del tejidonervioso son las neuronas y las célulasgliales. Las neuronas, células altamenteespecializadas en la recepción y trans-misión rápidas de mensajes, tienen uncuerpo pequeño y múltiples ramifica-ciones que cubren una extensa superfi-cie, lo que permite optimizar su inter-comunicación.

El cerebro humano contiene más dediez mil millones de neuronas; el cerebe-lo, de diez a cien mil millones. Las sinap-sis, o contactos sinápticos, son los sitiosdonde una neurona transmite el mensajeo impulso nervioso a otra neurona. Unaneurona típica del SNC recibe decenasde miles de contactos sinápticos, aunquelas neuronas de Purkinje del cerebelopueden recibir hasta 200.000.

Las conexiones entre neuronas danlugar a circuitos neuronales. En buenamedida, la plasticidad del sistema ner-vioso es plasticidad sináptica; concierne,pues, a la posibilidad de modificacióndel tipo, forma, número y función de lassinapsis y, por ende, de los circuitos neu-ronales. Procesos tan dispares como el

aprendizaje y la memoria, la respuestaa situaciones fisiológicas diversas (elembarazo o la sed) y la recuperación des-pués de sufrir lesiones tienen, por basecomún, la plasticidad sináptica.

Pero la función del tejido nervioso sólopuede comprenderse si tomamos en con-sideración las otras células característi-cas de es te tejido, las gliales. Desde hacetiempo se sabe que el número de célulasgliales decuplica el de neuronas y que laglía constituye aproximadamente la mitadde la masa del tejido nervioso.

En 1859 RudolfVirchow descubría laglía y la describía como una suerte decola o pegamento nervioso. Cristalizó asíuna imagen estática de la misma, quepersistió entre neuroanatomistas y neu-ropatólogos a lo largo de los 100 añossiguientes. Pero esa visión ha cambiadoen los dos últimos decenios, en paraleloa la consideración de la función ner-viosa; dominada ésta antaño por un enfo-que neuronal, se contempla hoy desdela perspectiva de una unidad funcionalneurona-glía, que abarca, por tanto, eldesarrollo neural, la actividad nerviosa,su mantenimiento y sus manifestacio-nes patológicas (véase la figura 1). Laidea de una unidad funcional diná-mica neurona-glía, que ha experimen-tado un particular desarrollo en los últi-mos 15 años, debe su formulaciónexplícita a Arenander y de Vellis y, mástarde, Nieto Sampedro, quienes llama-ron la atención sobre ese conjunto for-

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mado por una neurona y su glía asociada,que permite y potencia la función y plas-ticidad del mismo.

Los tipos fundamentales de glía en elSNC son la astroglía, la oligodendroglíay la microglía. De ellos, la astroglía y lamicroglía constituyen los tipos de glíaque guardan una relación más directacon la plasticidad neural.

Los astrocitos, o células astrogliales,están íntimamente asociados, por unaparte, a las neuronas y, por otra, al restodel organismo. Además de constituir laenvoltura de las sinapsis centrales, for-man laglia limitans (así se llama la fron-tera entre el organismo y su SNC, unacapa de cuerpos de astrocitos y su láminabasal asociada). A los astrocitos se debetambién la barrera hematoencefálica.Sensibles aiones,potasio sobre todo, losastrocitos unen, transportan y metaboli-zan neurotransmisores. Hay incluso tipos

capaces de despolarizarse en respuesta alos neurotransmisores excitatorios y deconducir potenciales de acción.

Los pies terminales de la astroglía sehallan en contacto con los vasos sanguí-neos. Poseen regiones especializadas dealta conductancia que controlan el pasode nutrientes, oxígeno, vitaminas y hor-monas de la sangre al tejido nervioso.

Todos los astrocitos se comunicandirectamente entre sí mediante uniones

de intervalo ("gap-junctions"). Es muyprobable que se den uniones mixtas delmismo tipo en virtud de las cuales esta-blezcan comunicación también directacon las neuronas. De hecho, Steve Smithy su equipo han comprobado que losastrocitos se comunican entre sí y conlas neuronas mediante olas de iones cal-cio (Ca2+). El contacto de estas ondas deCa2+ con las neuronas moviliza el Ca2+,es decir, lo saca de sus sitios de almace-

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1. IMAGENMORFOLOGICADE LA UNIDADNEURONA-GLlA.Cuando Lafarga,Bercianoy Blanco,de la Universidad de Cantabria, reconstruyeron la imagentridimensional de un núcleo del cerebelo de la rata sumando secciones consecutivas

muy finas,teñidas especificamente para glía, la imagen obtenida fue la de una neuronaenvueltaen una mallade delicadasprolongacionesastrociticas(azul).Losagujerosde lamalla corresponden a los sitios de contacto sináptico.

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namiento intracelular, con consecuen-cias fisiológicas diversas.

Para liberar glutamato los astrocitosno precisan vesículas. Esa sustancia cons-tituye el neurotransmisor excitatorio másabundante en el SNC. Además, los astro-citos sintetizan óxido nítrico, un neuro-modulador altamente difusible, que puedeafectar de un modo poderoso a neuronasy glía.

Semejante elenco de propiedades con-fiere a los astrocitos la capacidad de vigi-lar sin cesar la actividad de las neuronasy de modificada directa e indirectamente.Operan como controladores del micro-ambiente neural, con mecanismos deretroalimentación. Entre sus mÍsionesprincipales, corresponde a los astrocitosmantener estable la composición de estemicroarl1biente y adecuada para la acti-vidad neuronal habitual. Cualquier modi-ficación de la composición desencadenauna respuesta glial compensatoria; puedeésta consistir en eliminar el exceso demoléculas neuroexcitatorias (antes deque alcancen niveles excitotóxicos) oproducir factores neurotróficos que per-mitan el tamponamiento efectivo de laconcentración de Ca2+intracelular, paraasí evitar la apoptosis neuronal. (Llámaseapoptosis a la muerte celular que formaparte del programa de desarrollo de unorganismo. Se distingue de la necrosisen que produce la eliminación rápida ycompleta de los residuos celulares.)

Aunque se conocen bastante menoslas propiedades de la microglía, se estáexperimentando un avance notable en lainvestigación sobre este tipo de célulaglial, que desempeña una función esen-cial en la intercomunicación entre lossistemas nervioso e inmunitario.

En resumen, el tejido nervioso constade asociaciones de grupos de neuronasy células gliales que actúan como uni-dades de función fisiológica. En estosconjuntos dinámicos neurona-glía, lascélulas gliales son las controladoras fun-damentales del microambiente celularen lo que se refiere a composición iónica,niveles de neurotransmisores y sumi-nistro de citocinas y otros factores de cre-cimiento. Ante las perturbaciones pre-sentadas se da siempre una respuestaconjunta de ambos grupos celulares delsistema nervioso.

Renovación de sinapsisy evolución de la plasticidad neuralLa expresión máxima de la plasticidadneural de un organismo se observa,durante el desarrollo, en el período desinaptogénesis. En el curso de la misma,las sinapsis pasan por ciclos de forma-ción y regresión.

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En 1941 Clark C. Speidel observó elproceso sinaptogénico en las termina-ciones sensoriales del renacuajo vivo.Speidel contempló, en una misma arbo-rización sensorial, terminales en reposo,otros en proceso de crecimiento y otrosterminales en clara regresión. Con eltiempo y de acuerdo con las condicio-nes ambientales, algunos terminales enreposo se transformaban en conos de cre-cimiento; otros que estaban creciendose estabilizaban o degeneraban. En defi-nitiva, Speide1 observó que, en el sistemanervioso en desarrollo, las sinapsis eranestructuras dinámicas.

La renovación (turnover) de las sinap-sis se mantiene en mamíferos adultos demanera más limitada, aunque suficientepara mediar cambios en su tipo, forma,número y función. La renovación de unapoblación de sinapsis implica la rupturade unos contactos sinápticos y su subs-titución por otros nuevos. Dentro de estapoblación, una sinapsis individual puededesaparecer sin ser reemplazada; asimis-mo, puede formarse una sinapsis nuevadonde antes no existía ninguna.

En el caso más general, el proceso derenovación sináptica abarca cuatro eta-pas: desconexión de las sinapsis; ini-ciación y crecimiento de nuevos termi-nales axonales; formación de nuevoscontactos sinápticos, y maduración de lasnuevas sinapsis, es decir, aparición devesículas sinápticas y densidades pre ypostsinápticas.

En cada uno de estos pasos, se sabeque la glía puede o debe intervenir acti-vamente. Los terminales presinápticosque participan en la renovación de sinap-sis surgen de axones preexistentes, en unproceso de formación de brotes axona-les (axon sprouts). Dependiendo del pun-to de origen del brote en el axón, se dis-tinguen varios tipos: los brotes terminaleso ultra terminales son extensiones delterminal presináptico; los brotes cola-terales surgen como una rama nueva delaxón, independiente de otras termina-ciones nerviosas preexistentes. Si el brotese origina como continuación renovadadel muñón de un axón seccionado, sedenomina brote regenerativo.

La formación de brotes axonales es in-dependiente de la posible formación sub-secuente de nuevas sinapsis. De hecho, enel SNC, los brotes frecuentemente degene-ran y nunca llegan a establecer sinapsis.El término brote axonal designa simple-mente un tipo de respuesta de crecimien-to, que puede o no ser el primer paso enla formación de una nueva sinapsis.

En todo caso, el proceso de renovaciónde sinapsis y su importancia evolutivaestán en el,origen y son el eje de la plasti-

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SINAPSISGLUTAMATERGICA ASTROCITO CAPILAR~>:;\

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2. IMAGEN FUNCIONAL DE LA UNIDAD NEURONA-GLlA. La plasticidad del

sistema nervioso sólo puede comprenderse si tomamos e~"'consideraciónlas funcionescomplementarias de los componentes celulares esencialesdel tejido, o sea, neuronas,.,células gliales y capilares sanguíneos.

cidad neura!. Un sistema nervioso conmayor capacidad de renovación de sinap-sis y, por ende, con mayor plasticidad desus circuitos neurales confiere una ven-taja adaptativa al organismo, que la evolu-ción selecciona. En este sentido, la regula-ción hipofisaria del estado de hidratación,del parto o la lactancia que describiremosa continuación, suministran un ejemploclaro de funcionamiento de la unidad neu-rona-glía, así como de las ventajas adap-tativas que una renovación sináptica másrápida y eficaz confiere a los mamíferossobre otros organismos.

Los axones secretores de la neurohi-pófisis se originan en las neuronas mag-nocelulares del núcleo supraóptico delhipotálamo y terminan en los espaciosque rodean a capilares fenestrados. Aquídescargan sus productos de secreción,péptidos hormonales. Dos de estos pépti-dos, la oxitocina y la vasopresina, ejercenefectos muy bien caracterizados; con-trolan la retención de agua y la contrac-ción de la musculatura lisa. En una ratahembra hidratada y que no está preñadani en período de lactancia, las neuronasdel núcleo supraóptico se encuentran se-paradas unas de otras por astrocitos. Deforma similar, sus terminaciones axo-nales están aisladas de los capilares porlos pituicitos, células astrogliales espe-cializadas que rodean completamenteestos terminales.

La privación de agua durante cuatroo más horas, la lactancia y los estadiosavanzados del embarazo, así como elparto, inician la siguiente cascada deacontecimientos: (1) el retraimiento delos procesos gliales y, en consecuencia,

la aparición de contactos tanto entre loscuerpos celulares como entre las dendritasde neuronas vecinas, posibilitando elacoplamiento electrotónico entre estasneuronas; (11)la aparición de contactossinápticos entre neuronas magnocelula-res adyacentes; (111)la retracción de lospituicitos, permitiendo con ello el accesode los terminales axonales al espacioperivascular; (IV) la sustitución de laactividad eléctrica irregular y lenta delas neuronas supraópticas por un ritmorápido de actividad continua, con des-cargas ocasionales de alta frecuencia;(V) la aparición de síntesis de proteínas.en particular de las hormonas arriba indi-cadas y sus precursores.

Todos estos cambios ocurren conco-mitantemente con la respuesta fisioló-gica apropiada; por ejemplo, la retenciónde agua en los riñones o el aumento dela presión mamaria. Se trata de cambiosreversibles. Además, confieren al orga-nismo la posibilidad de sobrevivir enambientes con humedad variable y a pro-crear en ellos con éxito.

Renovación experimental desinapsis: sinaptogénesis reactivaLos ciclos de formación y regresión si-nápticos observados por Speidel duranteel desarrollo del renacuajo y por otrosinvestigadores en el sistema hipotalá-mico o en el núcleo rojo de mamíferosadultos son casos claros de renovaciónsináptica inducida por estímulos natu-rales. Desde principios del siglo xx diver-sos investigadores, entre otros Caja1 yJorge Tello, han venido proponiendo quela plasticidad opera en el sistema ner-

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vioso, durante toda la vida del organis-mo. Las ventajas adaptativas resultan-tes de una renovación de sinapsis eficazen las estructuras nerviosas asociadas alaprendizaje y la memoria pueden in-ferirse de las modificaciones conduc-tuales que causan y de sus consecuen-cias evolutivas, por ejemplo, el éxito dela especie humana.

No es fácil demostrar, por vía experi-mental, la renovación espontánea desinapsis en el SNC de mamíferos adul-tos. A diferencia de la cola del renacuajoutilizada por Speidel, el SNC de los ma-míferos adultos se resiste in vivo a la ob-servación microscópica repetida. En unmismo animal la observación de estruc-turas que implican la renovación de sinap-sis ocurre en forma de "instantáneas"; las

estructuras a que aludimos son axones enproceso de degeneración junto con otrosen proceso de crecimiento o estructuraspostsinápticas (en particular densida-des postsinápticas) desocupadas. Al noser consecutivas en el tiempo, tales obser-vaciones sólo pueden considerarse prue-bas circtlllstanciales de la existencia derenovación de sinapsis.

Los registros electrofisiológicos po-drían ayudamos a detectar la renovaciónsináptica en el animal vivo, en condicio-nes adecuadas. Pero cabe tal cúmulo deinterpretaciones alternativas, resulta muyraro poder llegar a una conclusión tajante.Para establecer la presencia de renova-ción sináptica se requieren estudios ana-tómicos y electrofisiológicos concomi-tantes.

3. BROTESAXONALESdel sistema nervioso de mamíferos adultos. Los nuevosterminales son, en general, brotes derivados de axones preexistentes. Los diversos tiposde brotes axonales se clasifican de acuerdo con el lugar del axón original: los brotesnodales nacen en los nodos de Ranvier de las fibras mielinizadas.En el caso más

general, estos brotes se denominan colaterales, en particular si el axón originariocarece de mielina. Los brotes terminales o ultraterminales se originan en el botón

terminal. La figura esquematiza su apariencia en dos casos: a) en la uniónneuromuscular¡ e),en una sinapsis típica del SNC, formada entre un axón y unaespina dendrítica. Si un axón es interrumpido por una lesión, el muñón terminalpuede da lugar a brotes regenerativos (b).

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IBROTETERMINAL

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BROTE COLATERAL-------.

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Dadas las dificultades técnicas, en losúltimos decenios del siglo xx las inves-tigaciones se centraron en los sistemasen los que esta renovación se iniciabamediante la inducción de un estímuloexperimental, para analizar luego las res-pues tas expresadas. La perturbaciónexperimental que produce las respues-tas más intensas y reproducibles son laslesiones. En coherencia con ello, una delas estructuras del SNC objeto de mayoratención fue el giro dentado (o fasciadentata) del hipocampo.

El hipocampo es una estructura cor-tical implicada en el aprendizaje y lamemoria. De una composición anató-mica bastante más sencilla que el neo-córtex,-predominan en esta formaciónbilatera]",dos tipos de neuronas, las pira-midales y las granulares; las primerasdominan eJ1el hipocampo propiamentedicho, en tanto que las granulares lohacen en el giro dentado. En el hipo-campo, el aferente extrínseco más abun-dante son axones excitatorios proce-dentes de la corteza entorrinal.

La destrucción unilateral de la cor-teza entorrinal conduce a la pérdida del90 % de las sinapsis en los 2/3 externosde las células granulares del giro den-tado ipsilateral a la lesión. Esta desafe-rentación masiva constituye, a su vez, laseñal desencadenante de sinaptogénesisreactiva, que conduce a la restitución delas sinapsis perdidas a partir de brotescolaterales de los axones no afectadospor la lesión. Estos brotes tienen quecruzar áreas parcialmente desaferenta-das para alcanzar sus dianas sinápticas,restringidas a las ocupadas durante eldesarrollo. El crecimiento de los brotesaxonales reactivos guarda una correla-ción temporal con cambios morfológi-cos y moleculares en las células glialesy las neuronas granulares.

En los últimos años hemos asistido auna convergencia singular de avancesespectaculares en las técnicas de análi-sis de imagen, en microscopía y en po-tencia de los ordenadores, unidos a lastécnicas de biología molecular. Talesprogresos han posibilitado la incorpo-ración de marcadores proteicos fluores-centes en las sinapsis y la observaciónin vivo, a tiempo real, de estructuras prey postsinápticas.

Etapas de la renovaciónsináptica: primer pasoLos estudios de sinaptogénesis reactiva,realizados en el sistema descrito u otrossimilares, han permitido establecer quelos mecanismos de renovación de sinap-sis que operan en el adulto son esencial-mente los mismos que ya actuaron du-

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rante el desarrollo. La mayor diferenciaparece estribar en que, durante el desarro-llo, hay un aumento en el número netode sinapsis, mientras que en el adulto pre-domina el proceso de sustitución.

La primera etapa en el proceso de reno-vación sináptica es la desconexión delas sinapsis existentes. Este paso es aná-logo, al menos formalmente, a la elimi-nación de sinapsis que se observa duranteel desarrollo. En el adulto ocurren, comomínimo, dos procesos de desconexión:en uno de ellos los terminales presináp-ticos degeneran; este proceso tiene'lugarlentamente y los estadios intermedios sepueden observar al microscopio.

El otro proceso, mucho más rápido,con una duración máxima de unas pocashoras, es reversible; sucede sin dege-neración de terminales. Intervienen las

células gliales, que interponen finospseudópodos entre los elementos pre ypostsinápticos. La desconexión de sinap-sis a través de ese segundo proceso seasemeja al control fisiológico de la secre-ción de hormonas por terminales hipo-talámicos, así como a la pérdida de afe-rente s en las neuronas axotomizadas.

No se conocen bien los detalles mo-leculares de ninguno de estos dos proce-sos. Se sospecha que en la degeneraciónespontánea de terminales se halla impli-cada la degradación programada del cito-esqueleto neuronal: los microtúbulos yneurofilamentos, cuya polimerizaciónestá, a su vez, controlada por la concen-tración intracelular de calcio.

Puesto que la actividad sináptica con-lleva variaciones considerables en laconcentración de Ca2+ intraneuronal yésta interacciona con la propagación deolas de Ca2+ en los astrocitos, es fácilimaginar que el nivel de actividad sináp-tica controla la vida media de las termi-naciones nerviosas.

Segunda etapaEl proceso complementario a la desco-nexión de sinapsis es laformación de nue-vos contactos sinápticos. Este procesoimplica el crecimiento de axones, den-dritas o ambos, con la posterior diferen-ciación de las estructuras característicasde las sinapsis maduras. La formación debrotes axonales demanda dos requeri-mientos esenciales: la presencia defac-tores de crecimiento y la existencia deun substrato apropiado para la adhesióny crecimiento de las nuevas fibras.

Los factores de crecimiento son sus-tancias que las neuronas requieren parasobrevivir y diferenciarse. Muchas sus-tancias ayudan a mantenerse vivas lascélulas nerviosas; por ejemplo, la glu-cosa o lo~ iones potasio. Pero la ca-

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CELULASGRANULARESDELA FASCIADENTATA

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tHACIA

CA3/CA4

4. HISTOLOGIA DEL HIPOCAMPo. El hipocampo es una de las estructuras corticales

cuya anatomía y plasticidad han merecido mayor atención por parte de losinvestigadores.Está formado por dos estructuras principales,el hipocampo propiamentedichoy el girodentadoo jasciadentata.Lascélulasgranularespredominanen el girodentado, mientras que en el hipocampo abundan las células piramidales.Losaferentesextrínsecos más importantes proceden de la corteza entorrinal y del septum.Lainervación del giro dentado se muestra a la derecha en mayor detalle. El área ocupadapor el árbol dendrítico de las células granulares se denomina capa molecular.Más del90 % de las sinapsis en los 2/3 externos de la capa molecular están formadas poraferentes procedentes de la corteza entorrinal. En el tercio de árbol dendrítico máscercano al soma, la mayoría de los aferentes proceden de las células piramidales del áreaCA4 del hipocampo.Lasfibrasprocedentesdel septumterminanen una capacercanaalcuerpo celular y en la llamada capa molecular externa. Losescasosaferentes que llegandel rafe se distribuyen homogéneamente por todo el giro dentado.

racterística distintiva de los factores neu-rotróficos estriba en que actúan a con-centraciones muy bajas (del orden de10-12M) Ysuelen serpolipéptidos de pesomolecular bastante pequeño.

Existen varias familias de factoresneurotróficos, cada una de ellas especí-fica para un grupo definido de neuronas.Así, el factor de crecimiento nervioso(NGF, de nerve growthfactor) es el miem-bro más conocido de las neurotrofinas,una familia de factores esenciales parala supervivencia de las neuronas simpá-,tic as y sensoriales. Los factores neuro-tróficos no inician, en general, el brotede neuritas (axones y dendritas). Se limi-tan a permitir que las neuronas sobrevi-van y reciban instrucciones de factoresespecíficos, responsables de la apariciónde modificaciones definidas, tanto estruc-turales como funcionales.

Cuando se estudia la renovación desinapsis en el adulto importan tres cla-ses de factores instructivos: 1) los fac-

tores neuritogénicos, que causan la apa-rición de brotes de neuritas; 11)los fac-tores quimiotácticos o direccionales, queencauzan la orientación del crecimientode las neuritas; 111)los factores que diri-gen la elección de neurotransmisor, deinterés en la maduración de las sinapsis.

En el estado actual de informaciónsobre factores de crecimiento se ha gene-rado cierta confusión, porque algunosfactores desarrollan varias actividadesde éstas. Así, el primer factor conocido,el NGF, descrito en 1951 por Rita Levi-Montalcini y Hamburger, es neurotróficopara neurona s simpá.ticas, para algunasneuronas sensoriales y para las neuronascolinérgicas del SNC. Para las neuro-nas simpáticas, el NGF constituye tam-bién un factor neuritogénico y quimio-táctico. La laminina, una proteína de lamembrana basal de alto peso molecular,puede, por sí misma o asociada a un pro-teoglicano tipo heparan-sulfato, iniciarla formación de neuritas, lo mismo du-

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rante el desarrollo que tras una lesión.Además, en el caso de las neurona s sen-soriales, el NGF evidencia una eficaciamayor como factor neurotrófico y neu-ritogénico cuando está asociado a la lami-nina. Se conocen ya otros factores neu-rotróficos específicos para motoneuronasy otros tipos de neuronas del SNC.

Hasta 1982 se vino admitiendo que losfactores de crecimiento eran moléculasexclusivas del sistema nervioso perifé-rico o, como mucho, del sistema nerviosocentral durante el desarrollo embriona-rio. Sin embargo, ese mismo año Crutchery Collins e independientemente NietoSampedro y colaboradores aportaronpruebas convincentes de la presenciade los factores neurotróficos en el SNCpostnatal.

Por esas fechas Barde y su grupo puri-ficaron un nuevo factor trófico, presenteen cerebro porcino. Un poco más tarde,Nieto Sampedro y colaboradores demos-traron la presencia de esa clase de facto-res en el cerebro adulto, donde probable-mente median la plasticidad sinápticadurante la sinaptogénesis reactiva. Desdeentonces, estos resultados se han ratificadoy extendido. Merced a la maduración dela neurobiología molecular se han puri-ficado,clonado y secuenciado nuevos fac-tores tróficos. Ha comenzado su agrupa-ción sistemática en familias con estructurasy actividades biológicas afines.

De los avances recientes para eluci-dar la acción de los factores neuritogé-nicos el más significativo ha sido la vin-culación de los modos de acción de lasproteínas neuritogénicas con los de losfactores tróficos. Se lo debemos a Walsh

y su equipo. Descubrieron que las pro-teínas de adhesión intercelular con acti-vidad neuritogénica operaban a través de

un dominio compartido con la tirosín-quinasa del receptor del factor de creci-miento fibroblástico, FGF.

lones calcioAunque se conocen ya las líneas gene-rales del mecanismo de acción de losfactores neurotróficos, quedan por escla-recer aspectos moleculares. La unión deun factor a su receptor, una macromolé-cula con actividad enzimática tirosín-quinasa, inicia una cadena de reaccio-nes en la neurona que comienza con laactivación, por autofosforilación, de latirosínquinasa receptora. Se trata del pri-mer paso en una secuencia de fosfori-lación de proteínas, implicadas en laregulación de la concentración intrace-lular del Caz+.

Debe tenerse en cuenta que la regula-ción exacta de los niveles de Caz+ intra-celular resulta crítica, pues repercute enprocesos neurales básicos, frecuente-mente contradictqrios: metabolismo,aprendizaje y apoptosis. Bastan unasmínimas diferencias en los niveles de

calcio para que la célula viva o muera.Lahomeostasis del Caz estárigurosamen-te controlada por múltiples sistemas dota-dos de la precisión necesaria.

Volviendo a la relación entre apren-dizaje, memoria y factores de creci-miento, la concentración de Caz+ es elpunto de confluencia de la potenciaciónsináptica de larga duración, LTP, y dela polimerización y organización delcitoesqueleto, o sea, del crecimientode neuritas. Una actividad neuronalnormal mantiene la producción normalde factores neurotróficos; un trata-miento con niveles fisiológicos de fac-tores neurotróficos aumenta la eficaciasináptica.

5. LOS COMPONENTES MAS CARACTERISTICOS de las sinapsis maduras del

hipocampo de mamíferos adultos son las densidades postsinápticas (DPS) en dendritas y

soma y las vesículas presinápticas (V) en los terminales axonales.

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'11:Qos son las fuentes principales de fa~-tores de crecimiento: las células post-sinápticas (otra neurona, una célula mus-CUlaro una célula glandular) y las célulasgliales. Importa saber que la actividadbiológica de los factores tróficos requie-re, a menudo, la colaboración de dos deellos al menos, de origen celular com-plementario.

" .En las células postsinápticas, la pro-ducción de factores de crecimiento vien-e

regulada por la inervación y por su con~~cuencia, la actividad eléctrica. La pro-ducción trófica decae cuando culmina lainervación, para aumentar tras la dener-vación parcial o total. Ello explica porqué en el SNC los brotes axonales sólocrecenÍ\1asta distancias cortas y por qué,cuando~~e facilita su crecimiento hastadistanci3's más largas, los terminales nose adentran en el tejido del SNC: despuésde una lesiÓn, los brotes axonales de ori-gen local repueblan rápidamente los sitiospostsinápticos vacantes, deteniendo laproducción de factores de crecimientopor las células desaferentadas.

Veamos qué acontece con la glía, laotra fuente principal de factores de cre-cimiento. Tras una lesión de la cortezaentorrinal, el curso temporal de la astro-citosis en el hipocampo mantiene unaestrecha correlación con el curso tem-poral del aumento de los factores neuri-togénicos en esta estructura, así como conla cinética de neuritogénesis de las fibrascomisurales.

Hasta hace muy poco, sólo podíanobtenerse datos indirectos sobre las célu-

las productoras de factores y las célulasdiana de la acción de estos péptidos. Serecababan a través de experimentos sen-cillos, en los que se examinaba por unlado, in vivo, la anatomía de la respuestacelular y por otro, in vitro, la producciónde factores de crecimiento. En la actua-

lidad, sin embargo, tras el clonaje demuchos factores tróficos y de sus recep-tores, se puede comprobar directamente

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su lugar de producción y acción, medianteexperimentos de hibridación in situ.

Etapa finalLa etapa final de la renovación de sinap-sis corresponde a la maduración de losnuevos contactos sinápticos. En la uniónneuromuscular, la agrina, proteína de lamembrana basal, induce la agrupaciónde los receptores del neurotransmisoraceti1colina en la membrana postsináp-tica. Además, después de axotomizar lasneuronas motoras, los componentes dela membrana basal del músculo previa-mente inervado pueden, por sísolos, aco-tar el sitio preciso donde los terminalesregenerativos van a formar los nuevoscontactos. En este caso, la membranabasal del músculo dirige también la for-mación y diferenciación de uniones neu-romusculares maduras, con aparición devesículas presinápticas y de plegamien-tos postsinápticos.

El sistema nervioso central carece delámina basal propiamente dicha. Pero laagrina y los abundantes proteoglicanosextracelulares podrían desempeñar unpapel análogo, organizando la forma-ción de nuevas sinapsis. De hecho, elcerebro contiene moléculas solublescapaces de inducir la aparición de carac-terísticas postsinápticas en la membranabasal del músculo.

Las estructuras más arquetípicas deuna sinapsis madura en el SNC son lospaquetes de neurotransmisor, las vesí-culas presinápticas de los terminales axo-nales y las densidades postsinápticas(DPS) en las espinas dendríticas.

Cuando observamos al microscopioelectrónico el SNC adulto, aparecen re-saltadas las DPS. Estas estructuras sub-sinápticas muestran, durante la renova-ción de sinapsis, el dinamismo de lassinapsis a las que pertenecen. Según ellugar que ocupe en el SNC, cuando unasinapsis pierde su componente presi-náptico la DPS correspondiente se con-servará o desaparecerá a las pocas horasde la deaferentación.

Lo mismo que las sinapsis, las DPSse hallan implicadas en un ciclo de reno-vación, cuyos estadios intermedios seaprecian al microscopio electrónico. Unode estos estadios es una DPS con perfo-raciones e indentaciones múltiples, queprobablemente se degrada en pequeñosfragmentos, cada uno de los cuales ori-ginará una nueva espina dendrítica y,tal vez, una nueva sinapsis.

Señalesmuy brevescausanefectosduraderosLa renovación sináptica podría desem-peñar un papel clave en los procesos de

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6. LA POTENCIACION DE LARGA

DURACION(LTP)en el hipocampoocurre concomitantemente con el

aprendizaje.La ilustración recoge losresultados de un ensayo con los animalesde experimentación entrenados a nadaren una piscina circular llena de unasolución acuosa opaca. Para descansardeben encontrar la plataforma sumergida(arriba,enrojo).Lastrayectoriasseguidaspor los animales(líneairregular,arriba)seregistran con una cámara de televisiónacoplada a un ordenador que calcula eltiempo que el animal permanece en cadacuadrante(histogramacentral).Silaplataforma se retira, los animalesentrenados nadan predominantementeen el cuadrante donde la plataforma solíaestar (izquierda).Losanimalesa losque seha implantado una cánula que infundeintraventricularmente un antagonista

del ácido N-metil-D-aspártico,no parecenaprender, a juzgar por la naturaleza nodirigida de sus trayectorias de natación.La falta de aprendizaje se refleja en quenadan tiempos equivalentes en los cuatrocuadrantes. Las ratas entrenadas que hanaprendido la localizaciónde la plataforma(abajo), presentan LTP en la proyección

entorrinal al giro dentado. El antagonista

D,L-APV (S-aminofosfonovalerato)

bloquea la inducción de LTP.

aprendizaje y memoria. En ambos, las....Rruebas experimentales y la propia his-toria personal nos dicen que los efectosde estímulos de muy corta duración pue-den persistir largo tiempo. ~r:cep'~ionesque duraron segundos o décimas desegundo en un momento de nuestra vidase recuerdan muchos años más tarde.

. La formación de sinapsis y su reno-vación constituyen el engrama, o regis-tro neural de larga duración. Las cues-tiones principales del aprendÍzaje y lamemoria son los mecanismos de su for-

mación y modificación, o sea, la tra7ducción de un estímulo breve en un

registro duradero modificable. El es-tímulo que inicia la renovación naturalde sinapsis es una estimulación fisio-lógica, eléctrica, repetida, que activauna sinapsis hebbiana. El mismo pro-ceso que refuerza la eficacia de esasinapsis, debe traducirse en un cambiomorfológico en un momento posterior.Esta opinión es simplemente una pre-ferencia personal, que me parece razo-nable. Propuesta ya por Cajal a princi-

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TIEMPO(MINUTOS)

pios del siglo xx, la comparten ahoranumerosos investigadores.

La "sinapsis hebbiana" sellama así enhonor de Donald Hebb. En 1949, Hebbpostuló que una sinapsis que se usa repe-tidamente, se refuerza, adquiere mayoreficacia. Así reforzada, su umbral deestimulación desciende, es decir, paraser activada la sinapsis necesita estímu-los de menor intensidad que los necesa-rios originalmente; o, recibiendo elmismo estímulo, produce una respuestade mayor. amplitud.

En 1973 Bliss y su equipo acometie-ron registros electro fisiológicos de neu-ronas del giro dentado del conejo esti-muladas repetidamente a través de lacorteza entorrinal. Descubrieron cambiossinápticos acordes con los postulados porHeb b. Denominaron a ese proceso poten-ci~ción de larga duración (LTP, long termpotentiation). Contamos ya con un arse-nal de pruebas que ~_cLan con la LTP elm~callismo d~-EJl!!a~enaje de algunos

Jipos de memoria, particularmeñte en elhipocampo. Otras sinapsis de lugares del

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SNC diferentes, así como sinapsis inhi-bitorias, pueden potenciarse también. Porfin, parece muy probable que la LTP cons-tituya uno de los primeros pasos en la re-novación de sinapsis.

queda en la sinapsis una concentracióndel neurotransmisor liberado, suficientepara actuar sobre los receptores postsi-nápticos.

En el hipocampo, las sinapsis capa-ces de potenciación son excitatorias yglutamatérgicas. Utilizan, pues, el glu-tamato como neurotransmisor. El gluta-mato liberado en los terminales axona-les actúa sobre dos tipos de receptorescoexistentes en las espinas dendríticas:los de tipo AMPA (que responden pre-ferentemente al agonista AMPA) y losde tipo NMDA (que responden prefe-rentemente al agonistaNMDA,N-metil-D-aspartato) .

Bases bioquímicas de la LTPLa LTP se induce convenientementemediante la activación simultánea deuna población de sinapsis a frecuenciasentre 20 y 200 hertz. Esta estimulacióntetanizante aporta el requerimiento esen-cial de Hebb: actividades concomitan-tes pre y postsinápticas. La fuerte des-polarización de la neurona postsinápticaocurre en un momento en el que aún

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Enla transmisión sináptica habitual, lallegada de un potencial de acción al ter-minal axonal induce la liberación de glu-tamato; éste al actuar sobre los recepto-res postsinápticos de tipo AMPA provocael paso de corriente postsináptica despo-larizante a través de canales de N a+. Losreceptores tipo NMDA, por el contrario,contribuyen muy poco a la despolariza-ción postsináptica, porque en el potencialde reposo de la membrana el canal aso-ciado a este receptor se encuentra blo-queado por iones Mg2+. Sin embargo,cuando se producen estímulos repetidosque despolarizan la membrana postsi-náptica, el Mg2+ se disocia del receptorde NMDAque, libre, facilita el paso a ionesCa2+yNa+. Por tanto, el receptor de tipoNMDA~uede considerarse un detectormolecularde coincidencia voltaje-depen-diente, qu¡;:permite la entrada de Ca2+enla neuromi postsináptica cuando la ac-tividad aferente sucede en conjuncióncon la despolarización. Aunque se aceptaque la LTP se inicia postsinápticamente,se discute la contribución e importanciade los cambios en la eficacia del aferentepresináptico.

Gracias a la disposición anatómica delos circuitos neuronales del hipocampo yde los aferentes de la corteza entorrinal,un tren de estímulos corticales inicia unaestimulación recurrente, repetitiva delcircuito con la frecuencia adecuada parainducir LTP. Para reforzar la transmisiónsináptica resultan imprescindibles la des-polarización y el aumento de los nivelesde Ca2+ intracelular postsinápticos.

Sin embargo, dos procesos subsecuentesparecen esenciales para asegurar la dura-bilidad de la potenciación. Primero, laregulación adicional de los niveles deCa2+intracelular, que se logra por activa-ción de receptores metabotrópicos, queafectan al metabolismo. El segundo es laactivación de reguladores de transcripcióny síntesis de proteínas. En ausencia deambos, el reforzamiento sináptico duramuy poco, menos de 1 hora.

La activación de receptores metabo-trópicos desencadena cascadas enzi-máticas intracelulares, mediadas pormensajeros secundarios: Ca2+, AMPcíclico, GMP cíclico y productos de ladegradación de fosfolípidos,como inosi-tol fosfatos y ácido araquidónico. Cuan-

7. LOS ASTROCITOS PRESENTES

EN EL HIPOCAMPO de una rata adulta

normal se denominan astrocitos en

reposo. Sus múltiples prolongaciones están

en contacto íntimo con neuronas y

capilares sanguíneos.

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do se permite que el proceso de LTP con-tinúe sin perturbaciones, la elevada con-centración intracelular de Caz+ activalas proteinquinasas, enzimas implicadasen la fosforilación de proteínas. Algunasde estas proteínas son factores de trans-cripción que requieren la fosforilaciónpara cumplir su función.

Entre las quinasas que han despertadomayor atención deben mencionarse laproteinquinasa C presináptica (PKC) yla proteinquinasa 11-dependiente de Caz+y calmodulina (CaMKII), una proteínapostsináptica abundante en las espinasdendríticas. Para la consolidación de lamemoria de larga duración el factor detranscripción crítico es CREE, fosfori-lado por la CaMK IV en respuesta a fac-tores de crecimiento, y por la protein-quinasa A dependiente de AMP cíclico.Por último, la investigación recienteacaba de subrayar la importancia de unatirosinquinasa, capaz de fosforilar losreceptores de glutamato tipo NMDAdurante la inducción de LTP.

Primero en el cerebelo, y luego en elhipocampo, se observó un fenómeno elec-trofisiológico equivalente, aunque opues-to a la LTP. Nos referimos a la depresiónsináptica de larga duración (LTD, de"long term depression"). La LTD reviertela potenciación de las sinapsis someti-das a LTP mediante un mecanismo nota-blemente similar al que induce LTP.Necesita también una elevación en elnivel de Caz+ intracelular y la estimula-ción prolongada (3 a 15minutos), en estecaso a bajas frecuencias (1 a 2 hertz).

Sin embargo, el aumento en la con-centración de Caz+ intracelular es muchomenor que tras la estimulación tetani-zante. Por eso mismo, en lugar de acti-varse las quinasas, interviene la calci-neurina, una fosfatasa con alta afinidadpara Caz+, lo que conduce a la defosfo-rilación específica de proteínas. La depre-sión sináptica de larga duración podríaguardar relación con el olvido selectivo,un fenómeno psicológico fundamentaly tema de viva discusión e interés.

Potenciación sinápticay cambios morfológicosAunque la correlación entre LTP, apren-dizaje y variaciones en el número y mor-fología de las espinas dendríticas se conocedesde hace varios años, tardó en lograrseuna prueba directa de dicha vinculación.Según parece ahora, los cambios morfo-lógicos postsinápticos constituyen unaconsecuencia razonable de la síntesis de

proteínas, requerida en la célula postsi-náptica para estabilizar la LTP.

Menos obvio, sin embargo, resulta elmecanismo de comunicación entre el

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componente postsináptico y el presi-náptico. Dos mensajeros retrógrados,capaces de informar al terminal presi-náptico sobre el estado del componentepostsináptico, son el óxido nítrico y elácido araquidónico. Producido el pri-mero por una sintasa dependiente de Caz+y calmodulina, se genera el segundo porla fosfolipasa Az, también dependientede Ca2+. Ambos mensajeros parecenactuar incrementando la liberación delneurotransmisor.

A partir de aquí, los posibles meca-nismos de inducción de cambios mor-fológicos sinápticos asociados a LTPpertenecen todavía al terreno de las hipó-tesis. La síntesis de factores neurotrófi-cos aumenta drásticamente tras una esti-mulación capaz de producir LTP,aumentoque persiste desde 24 horas hasta 7 díastras estimulación epileptiforme.

El autor de este artículo y sus co-laboradores plantearon la posibilidadde que las DPS crecieran por adición dematerial y que, alcanzado un tamañomáximo, se fragmentaran, lo que equi-vale a la división de las espinas dendrí-ticas y la generación de nuevos sitiospostsinápticos desocupados. Un sitiopostsináptico desocupado o inactivo esun lugar donde se intensifica la síntesisde factores neurotróficos.

Supusieron, además, que las estimu-laciones capaces de causar LTP promo-verían también la renovación de sinap-sis y aumentarían el número de espinasdesocupadas. Los factores liberados enestas espinas, por sí solos o asociados aglicosaminoglicanos u otras proteínas,despliegan la actividad neuritogénicanecesaria para inducir la iniciación debrotes axonales, destinados a ocupar lasespinas vacías.

Añádase a ello que una proteína devesículas sinápticas implicada en la libe-ración de neurotransmisor, la sinapto-tagmina, promueve experimentalmentela formación de filopodios. Estas estruc-turas, ricas en actina, son típicas de conosde crecimiento presinápticos; así, la ele-vación de la actividad presináptica con-duciría a niveles altos tanto de Caz+ co-mo de sinaptotagmina, que serían capacesde inducir la formación de brotes ultra-terminales, el tipo de brote axonal másfrecuente en el SNC. Por el contrario, laestimulación a baja frecuencia induc-tora de LTD produce niveles de Caz+bajos, si bien capaces de activar la cal-cineurina que, a su vez, causa la retrac-ción de los filopodios de los conos decrecimiento axonal.

Muy probablemente, la clave de la tra-ducción de experiencias conductualesen cambios morfológicos está en la con-

vergencia de los niveles de Caz+ con-trolados por la actividad eléctrica(mediada por canales iónicos reguladosporneurotransmisor) y por señales meta-bólicas o de crecimiento (reguladas porreceptores metabotrópicos y factores decrecimiento) .

La plasticidad del SNC de los mamífe-ros está dirigida a potenciar los procesosde aprendizaje y memoria. La sinapto-génesis reactiva permite, como mucho,la reparación espontánea de pequeñaslesiones, producto por ejemplo de la ro-tura u oclusión de algún capilar sanguí-neo, reparable con ayuda de brotes ter-minales y los mecanismos que operan enla renovación sináptica. Lesiones másgrandes i~piden la vida normal del indi-viduo lesionado, cuya supervivencia yposibilidatLde reproducirse son prácti-camente nulas. Así, es extremadamenteimprobable la conservación de mutacio-nes conducentes a una reparación efec-tiva de lesiones en el SNC. La reparaciónespontánea de lesiones en el SNC de losmamíferos no ocurre. Las propiedades dela glía del SNC de los mamíferos condu-cen, más bien, a la inhibición que a la pro-moción del crecimiento axonal.

MANUEL NIETO SAMPEDRO es profesorde investigación del Consejo Superior deInvestigaciones Científicas, en el departa-mento de plasticidad neural del InstitutoCajal de Madrid. Licenciado en ciencias quí-micas por la Universidad de Madrid, se doc-toró en bioquÍmica y microbiología en elInstituto Nacional de Investigaciones Médicasde Londres en 1971.

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