Introducción al Neurodesarrollo

Introducción al Neurodesarrollo

• La ontogenia del sistema nervioso humano es un proceso biológico complejo que se inicia con la fecundación de una única célula, el cigoto.
• El cerebro humano contiene aproximadamente 100.000 millones de neuronas, cada una con miles de conexiones sinápticas.
• El cerebro se organiza en circuitos y redes que sustentan las habilidades cognitivas y la conducta humana.
• El neurodesarrollo abarca desde poco después de la concepción hasta los 20-25 años.
• Las etapas prenatales se caracterizan por grandes cambios a partir de un pequeño número de células.
• El neurodesarrollo se extiende más allá del nacimiento, con cambios en la conectividad neuronal durante la infancia, adolescencia y juventud.
• El cerebro humano se distingue de otros primates por su prolongado desarrollo posnatal y el tamaño de su corteza.
• Las capacidades cognitivas específicas del ser humano derivan del incremento de ciertas áreas corticales y sus conexiones.
• Algunos mecanismos del neurodesarrollo, como la formación y eliminación de sinapsis, perduran a lo largo de la vida.
• La ontogenia contribuye a la plasticidad cerebral, influyendo en el aprendizaje y la memoria.
• El neurodesarrollo se divide en: neurulación y conformación regional; desarrollo neuronal; desarrollo sináptico; mielinización.

Formación del Tubo Neural y Conformación Regional

• La descripción de los cambios anatómicos durante los períodos embrionario, fetal y posnatal es la primera aproximación al desarrollo ontogénico del cerebro.
• El cerebro humano sigue un patrón de desarrollo general común a los mamíferos.
• El proceso inicia con la formación del tubo neural (neurulación), que gradualmente adquiere las características del cerebro adulto (conformación regional).
• El sistema nervioso se forma tempranamente cuando el embrión se encuentra en la etapa de gástrula.
• En el día 18, se produce un ensanchamiento en el ectodermo denominado placa neural.
• Posteriormente, se produce un hundimiento a lo largo de la placa, formando el surco neural.
• Los bordes del surco se elevan formando los pliegues neurales que se unen para constituir el tubo neural.
• La parte más saliente del pliegue neural se desprende formando la cresta neural.
• Las paredes del tubo neural dan origen a las neuronas y las células gliales del sistema nervioso central.
• La cresta neural da origen a las neuronas de los ganglios sensitivos y simpáticos y a las células gliales del sistema nervioso periférico.
• La cavidad del tubo neural, el conducto neural, origina los ventrículos cerebrales, el acueducto de Silvio y el conducto central, por donde circula el líquido cefalorraquídeo.
• Tanto la formación del tubo neural como la conformación regional del SNC son producto de la proliferación celular.
• La multiplicación de las células, con un ritmo diferente para cada región, va modelando las estructuras.
• Alrededor del día 20, se observan tres vesículas en el tubo neural que se transforman en cinco, dando origen a las siete regiones anatómicas del SNC
• El prosencéfalo da origen a los hemisferios cerebrales y el diencéfalo.
• El mesencéfalo origina los pedúnculos cerebrales y el rombencéfalo da origen a la protuberancia, el bulbo y el cerebelo.
• La región caudal da origen a la médula espinal.

Crecimiento Posnatal del Cerebro

• La masa cerebral se cuadruplica entre el nacimiento y la edad adulta.
• La expansión posnatal del cerebro depende del aumento de las conexiones, no del número de neuronas.
• En el crecimiento posnatal se produce un aumento de dendritas, incremento en conexiones sinápticas en la corteza, y mielinización de axones.

Proliferación y Desarrollo Neuronal

• El número, ubicación precisa y variedad de neuronas, así como la cantidad de conexiones entre ellas, caracterizan el cerebro adulto de los mamíferos.
• La proliferación, la migración y la diferenciación de las neuronas logran la primera característica que es el número, ubicación etc.
• El desarrollo del axón, las dendritas y la formación de las sinapsis logra la segunda característica que es la cantidad de conexiones.
• La multiplicación del número de células es un proceso fundamental en el desarrollo del tubo neural y la conformación de las regiones anatómicas del SNC (neurogénesis).
• El tubo neural tiene una zona ventricular (interna) y otra marginal (externa) donde la proliferación y la migración muestran patrones relacionados.
• Durante el pico de la proliferación, se generan aproximadamente 250.000 neuronas nuevas por minuto.
• La mitosis de las células precursoras ocurre en la zona ventricular.
• Las células resultantes de la mitosis emiten extensiones que se adhieren a la superficie externa del tubo.
• Se replica el ADN en una de las células, que luego regresa a la zona ventricular para dividirse nuevamente.
• Las células que no duplican el ADN se diferencian en neuronas, pierden la capacidad de reproducirse e inician la migración.
• La neurogénesis es muy intensa hasta la mitad del cuarto mes de gestación (semana 18).
• La neurogénesis persiste en el hipocampo y el bulbo olfativo.
• La gran plasticidad postnatal del cerebro adulto humano depende de cambios plásticos en sus conexiones y no de la generación de nuevas neuronas.
• El cerebro del recién nacido tiene aproximadamente la mitad de las neuronas que tuvo en el pico más alto de la neurogénesis.
• Muchas neuronas son eliminadas a través de la apoptosis (muerte celular programada).

Migración Neuronal

• En el desarrollo de la corteza cerebral, las células nacen en la zona ventricular y se desplazan hacia la superficie externa para formar las seis capas de la corteza adulta.
• Las capas de la corteza cerebral se constituyen "de adentro hacia afuera".
• Las neuronas se deslizan a lo largo de las fibras de células gliales radiales para desplazarse.
• Un papel clave en la migración lo juegan las moléculas de adhesión celular, sustancias que permiten la interacción de la célula migrante con las fibras radiales.
• Muchas células migran en dirección perpendicular a las fibras radiales, saltando de fibra a fibra.
• En humanos y otros primates, la migración está completa al momento del nacimiento.
• En otros mamíferos, como los roedores, la migración continúa tras el nacimiento.
• Las fallas en el proceso de migración alteran el desarrollo cortical y conducen a problemas de comportamiento.
• La exposición prenatal a la radiación gamma detiene prematuramente la migración, y el alcohol puede prolongarla causando alteraciones en la configuración normal de la corteza.
• Se ha hallado que la migración anómala puede afectar zonas restringidas de la corteza cerebral en sujetos con antecedentes de dislexia.

Diferenciación Neuronal

• Los dos grandes grupos de células del sistema nervioso son las células gliales y las neuronas.
• Las gliales cumplen funciones de sostén, nutritivas y de defensa.
• Las neuronas son elementos señalizadores y su función principal es el procesamiento de la información.
• El proceso por el cual las células precursoras adquieren las características de las células adultas se denomina diferenciación,
• Los fenotipos en las neuronas se distinguen por rasgos morfológicos, receptores específicos y neurotransmisores que producen.
• La diferenciación depende de programas genéticos internos y de las sustancias extracelulares presentes durante la migración.
• Un ejemplo de esta interacción es la especificación de neurotransmisores y receptores en las neuronas.
• La síntesis del neurotransmisor está determinada por programas internos, pero también por las sustancias secretadas por la célula con la que hace contacto.
• La neurona postsináptica influye en el neurotransmisor que va a ser liberado por la membrana presináptica.
• La interacción entre factores genéticos y ambientales influye en el desarrollo del fenotipo, las características morfológicas de las neuronas de cada capa dependen de haberse ubicado en su capa correspondiente,

Desarrollo Axonal

• Los axones comienzan a desarrollarse durante la migración a un ritmo de 1 mm/día.
• Crecen hacia regiones subcorticales, otras áreas de la corteza o el hemisferio contralateral.
• La corteza también recibe axones que crecen desde el tálamo.
• El axón alcanza su célula diana gracias al cono de crecimiento, que reconoce y responde a señales químicas.
• Las señales químicas presentes en el medio extracelular o en la superficie de otras células guían al axón.
• Una vez que el axón alcanza su objetivo, comienza el proceso de formación de sinapsis.

Desarrollo Dendrítico

• Las dendritas comienzan a crecer cuando la neurona alcanza su posición definitiva.
• El desarrollo dendrítico incluye arborización y formación de espinas.
• Las prolongaciones dendríticas son inicialmente simples, pero más tarde alcanzan ramificaciones profusas.
• Las espinas son pequeñas protuberancias que parecen emerger para salir al encuentro de las terminales axónicas.
• Los axones emiten señales químicas que son necesarias para la diferenciación dendrítica, incluyendo la determinación de qué receptores se sintetizarán en las espinas dendríticas.
• El desarrollo dendrítico comienza en la etapa prenatal pero continúa durante varios meses después del nacimiento.
• La arborización cursa junto con el desarrollo de las espinas dentríticas, que son regiones especializadas de la membrana sobre la que hacen sinapsis los axones.

Desarrollo Sináptico

• Las sinapsis comienzan a formarse al final del embarazo, cuando aún no se han completado los procesos de neurogénesis y migración.
• En estas etapas iniciales, se generan pocas sinapsis, reguladas por factores internos y el microambiente celular.
• Poco antes del nacimiento, el número de sinapsis crece rápidamente, con picos de alta densidad sináptica seguidos por mesetas y procesos de eliminación denominados “poda” sináptica.
• La poda sináptica comienza a los dos años y elimina aproximadamente la mitad de las sinapsis.
• Los picos de sinaptogénesis y poda no ocurren al mismo tiempo en toda la corteza, sino que siguen un patrón para cada región.
• La corteza motora y sensorial primaria muestra un pico pernatal y una poda progresiva hasta los dos años.
• Las cortezas de asociación tienen un pico postnatal a los nueve meses y poda hasta los 10 años.
• La corteza prefrontal alcanza las características sinápticas adultas durante la adolescencia.
• la maduración sináptica de las cortezas asociadas a las habilidades de cognición social maduran entre los 20 y 24 años.
• Los cambios en la densidad sináptica se producen por sinaptogénesis o poda, estos procesos durante la ontogenia contribuyen a trazar la conectividad característica del cerebro adulto,
• Estos mecanismos siguen disponibles durante toda la vida.
• La formación y poda de sinapsis forman parte de los cambios plásticos de los procesos de aprendizaje y memoria y la experiencia induce estos cambios en el cerebro y se almacenan a largo plazo.

Generación y poda sinápticas: independiente, expectante y dependiente de la experiencia.

• Independiente: Las primeras fases del desarrollo sináptico son independientes de la experiencia.
• Expectante de experiencia: El desarrollo sináptico depende de la presencia de ciertas experiencias sensoriales.
• Dependiente de la experiencia: Refiere a sinapsis que son únicas para cada individuo.

Mielinización

• La mielinización es el proceso por el cual los axones de las neuronas son recubiertos por mielina.
• La vaina de mielina proporciona aislamiento eléctrico a los axones y un aumento de la velocidad de conducción del impulso nervioso.
• La mielina es fabricada por células gliales.
• Las neuronas sólo alcanzan la madurez cuando se ha completado su mielinización.
• La mielinización no se produce al mismo tiempo en todas las neuronas, sino que sigue un orden jerárquico.
• La mielinización comienza en la médula (alrededor de los 4 meses de gestación) y progresa hacia el tronco encefálico, el diencéfalo y el telencéfalo.
• En el cerebro, la mielinización de la sustancia blanca muestra una sucesión jerárquica, las áreas sensoriales y motoras primarias comienzan a mielinizarse justo antes del nacimiento y son las primeras en completar su maduración.
• Luego es el tuno de las áreas secundarias de asociación sensorial unimodal y premotora y, finalmente, las áreas terciarias de asociación frontal y parietal.
• La mielinización de la región prefrontal comienza después del nacimiento y continua hasta aproximadamente los 15 años.

Síntesis del Neurodesarrollo

• El desarrollo ontogénico implica:
• Formación del tubo neural (neurulacion) y la conformación regional.
• Procesos de proliferación, migración y diferenciación del fenotipo neuronal.
• El desarrollo axonal y dendrítico característico de cada tipo de neurona.
• Ciclos de sinaptogénesis y poda sináptica, que continúa durante la vida postnatal.
• Regulación de la proliferación y la migración por información genética y señales químicas.
• Regulación del desarrollo de axones y dendritas y de la apoptosis por señales químicas del microambiente.
• Mielinización basada en la acumulación de moléculas de lípidos en forma de vaina alrededor de los axones.
• El neurodesarrollo abarca muchos más años de lo que se creía, desde el huevo hasta la muerte, incluyendo el desarrollo embrionario, fetal, posnatal infantil, adolescente, juvenil y la senescencia.
• Hay continuidades entre el desarrollo pre y posnatal, con procesos que finalizan antes del nacimiento y otros que se completan años después.
• La ontogenia es el fenómeno de plasticidad más masivo, permitiendo transformar una sola célula en un órgano complejo.
• La ontogenia es un ejemplo de interacción entre genes y ambiente, ya que para llevarse a cabo adecuadamente, todos los procesos descritos necesitan la información genética contenida en las células pero las señales reguladoras provistas por el microambiente extracelular.
• Se forman, sostienen y modifican los circuitos que subyacen a la conducta en congento con la acción conjunta de los genes y el ambiente.
• Desde la proliferación celular hasta la apoptosis, se implican grandes cambios en la síntesis de proteínas y la expresión de genes.

El Proceso de Evolución Biológica por Selección Natural

• En 1859, Charles Darwin promovió una revolución en biología con la publicación de su libro "Sobre el origen de las especies”.
• Darwin afirmó que las especies se originan a partir de la evolución de especies preexistentes.
• Jean-Baptiste Lamarck sostuvo que las especies evolucionan basadas en la "herencia de los caracteres adquiridos", es decir, que el uso o desuso de un órgano provoca cambios que se heredan.
• Darwin explicó las modificaciones evolutivas por el mecanismo variacional de la selección natural de las variantes más aptas.
• Los rasgos fenotipos individuales presentes en los inidividuos cambian en una especia debido a la mayor tasa de reproducción de algunos de esos individuos.
• Darwin consideraba que el insecto no se vuelve más resistente a los insecticidas pues se explica porque cada ejemplar atraviese por un proceso de transformación para fortalecerse sino pues el insecto que sobrevive a los insecticidas por variación logra reproducirse y continuar fortaleciendo la especie.
• Este mecanismo provocó un cambio fundamental en el objeto de estudio de la biología.
• La teoría de Darwin se resume en tres principios: variación, herencia y selección natural.
• Los organismos individuales se enfocan en la supervivencia y en la reproducción. En la variación individual es el rasgo fenotipico lo que varia y en la Herencia la variacion genetica se transmite.
• Debido a estos factores es que se conserban rasgos fenotípicos favores como el mecanismo de selección natural que al tener más éxito en sobrevivir y reproducirse hace que la especie cambie para mejor.
• La variación surge de manera aleatoria a partir de mecanismos genéticos que no dependen de las condiciones ambientales como la recombinación genética (unión de gametas) y las mutaciones (modificación de secuencias de ADN).
• La mayoría de los rasgos anatómicos, fisiológicos, conductuales y cognitivos que compartimos con otras especies fueron seleccionados porque favorecieron la supervivencia y la reproducción.
• Al analizar los problemas que enfrentan las especie se puede ver que por ejemplo el analisis adaptativos de la corteza del hipocampo en los mamíferos es útil para estudiar el estudio de la memoria.

Interacción de los factores genéticos y ambientales: ontogenia y evolución

• Existe actualmente un debate sobre la influencia de factores genéticos y ambientales en la determinación de la conducta.
• Un buen enfoque es estudiar cómo interactúan los genes y el ambiente en la determinación de la conducta.
• La conducta de un organismo en un momento dado depende de su dotación genética, de su experiencia y de su percepción de la situación actual.
• Pinel formula seis pasos que enlazan interaccciones en laevolución genetica con aspectos del desarrollo genético.
• El conjunto de la información genética es muy alta sinembargo existen individuos de a misma especie que no son idénticos por variedad en los genes.
• En el neurodesarrollo los factores ambientales influyen en la conformación del sistema nervioso, incluyendo desde las moléculas presentes en el microambiente del embrión hasta la actividad del propio sistema nervioso provocada por la experiencia.
• La interacción entre la dotación genética del individuo y el ambiente es lo que modela los circuitos que sustentan la conducta.
• El resultado realimenta a través de la experiencia las modificaciones del sistema nervioso del organismo.
• Los cambios del neurodesarrollo y de la evolución difieren en la escala temporal en que ocurren, la naturaleza del mecanismo que lo produce, y el sistema afectado.
• La biología evolucionista estudia la historia de las interacciones genético-ambientales a lo largo de millones de años, afecta a poblaciones de individuos y el mecanismo base es que algunos logran reproducirse mejor.
• Por otro lado, la biologa del desarrollo estuda las interacciones que se toman por el individuo desde el incio de la etapa intrauterina a el fin de la vida o muerte.
• Muchas transformaciones son comunes de los vertebrados como el originen en otros tipos de células hasta con los invertebrados.