Neurodesarrollo y Evolución

Neurodesarrollo y Evolución

• Ontogenia (desarrollo) del sistema nervioso humano es un proceso biológico complejo que abarca desde la fecundación hasta la adultez temprana.
• El cerebro humano está compuesto por aproximadamente 100.000 millones de neuronas, cada una con mil conexiones sinápticas.
• El desarrollo del cerebro humano se extiende hasta los 20-25 años.
• El cerebro crece a través de las etapas prenatales, embrionaria y fetal.
• El desarrollo y la maduración se extienden más allá del nacimiento, afectando su estructura gris y blanca.
• El desarrollo del cerebro humano se distingue por su período posnatal prolongado y por su corteza grande, especialmente en áreas de asociación.
• El desarrollo del cerebro depende del aumento relativo de ciertas áreas corticales y sus conexiones y plasticidad.
• Algunos mecanismos del neurodesarrollo, como la formación y eliminación de sinapsis, continúan durante toda la vida.

Formación del Tubo Neural (Neurulación) y Conformación Regional

• El desarrollo del cerebro comienza con la formación del tubo neural (neurulación).
• La neurulación es el desarrollo ontogénico del cerebro y se describe como los cambios anatómicos que ocurren durante los períodos embrionario, fetal y posnatal.
• El sistema nervioso comienza su formación cuando el embrión está en la etapa de gástrula, un disco de tres capas: ectodermo, mesodermo y endodermo.
• La placa neural se forma en el ectodermo alrededor del día 18 de la concepción.
• El surco neural se forma a lo largo de la placa neural.
• Los pliegues neurales se unen para formar el tubo neural.
• La cresta neural se desprende de los pliegues neurales.
• Las paredes del tubo neural dan origen a las neuronas y 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.
• El conducto neural origina los ventrículos cerebrales, el acueducto de Silvio y el conducto central.
• La proliferación celular modela las estructuras del SNC, lo que lleva a la formación del tubo neural y su conformación regional.
• Alrededor del día 20 después de la concepción, el tubo neural desarrolla tres vesículas que se transforman en cinco, dando origen a las siete regiones anatómicas del SNC.
• Prosencéfalo: hemisferios cerebrales y diencéfalo
• Mesencéfalo: pedúnculos cerebrales
• Rombencéfalo: protuberancia, bulbo y cerebelo
• Región caudal: médula espinal
• La masa cerebral se cuadruplica entre el nacimiento y la edad adulta.
• La expansión posnatal del cerebro se debe al aumento en las conexiones neuronales, como la arborización de las dendritas, el incremento de conexiones sinápticas y la mielinización de los axones.

Proliferación y Desarrollo Neuronal

• El número, ubicación y variedad de neuronas, y la cantidad de conexiones entre ellas, caracterizan el cerebro adulto.
• El desarrollo neuronal se logra a través de:
• Proliferación
• Migración
• Diferenciación
• Desarrollo axonal y dendrítico
• Formación de sinapsis

Proliferación Neuronal (Neurogénesis)

• La multiplicación de células es fundamental para el desarrollo del tubo neural y la conformación de las regiones del SNC.
• El tubo neural tiene zonas ventriculares internas y otras marginales externas.
• La zona ventricular tiene actividad mitótica.
• Durante el pico de la proliferación se generan aproximadamente 250,000 neuronas nuevas por minuto.
• La mitosis de las células precursoras es en la zona ventricular.
• Las células que no duplican el ADN se diferencian en neuronas e inician la migración.
• La neurogénesis es más intensa hasta la mitad del cuarto mes de gestación.
• La neurogénesis continúa en el hipocampo y en el bulbo olfativo.
• La plasticidad post nacimiento no depende de la generación de nuevas neuronas, sino de cambios plásticos en sus conexiones.
• El cerebro del recién nacido tiene la misma cantidad de neuronas que el cerebro adulto pero aproximadamente la mitad de las neuronas que tuvo en el pico más alto de la neurogénesis.
• La generación de un exceso de neuronas para luego suprimir algunas de ellas parece ser para el modelado de las conexiones en los mamíferos.
• La apoptosis transcurre en el último trimestre del embarazo.

Migración Neuronal

• Las células nacen en la zona ventricular y se desplazan a la superficie externa para formar capas de la corteza adulta.
• Las capas se forman "de adentro hacia afuera".
• Las células atraviesan capas para alcanzar su lugar.
• Se deslizan a lo largo de las fibras de células gliales radiales.
• El cuerpo de las células gliales se localiza en la zona ventricular y sus extensiones llegan a la superficie marginal.
• Las células gliales radiales desaparecen una vez cumplida su función.
• Las moléculas de adhesión celular permiten la interacción de las células migrantes con las fibras radiales.
• Las células migran perpendicularmente a las fibras radiales.
• La migración está completa al momento del nacimiento.
• Las fallas en la migración pueden producir una reducción en el número de células de la corteza o agrupamientos defectuosos.
• La exposición prenatal a la radiación gamma puede detener prematuramente la migración.

Diferenciación Neuronal

• Las células gliales y las neuronas son los dos grupos de células del sistema nervioso.
• Las células gliales cumplen funciones de sostén, nutritivas y de defensa.
• Las neuronas son los elementos señalizadores y su función es el procesamiento de la información.
• La diferenciación es el proceso por el cual las células precursoras adquieren las características de los distintos tipos y subtipos de células adultas.
• Los fenotipos se caracterizan por rasgos como la morfología, los receptores específicos y el neurotransmisor que produce.
• La morfología incluye el tamaño del cuerpo celular, la arborización de las dendritas y la longitud del axón.
• El fenotipo depende de:
• Programas genéticos internos de diferenciación
• Sustancias extracelulares presentes a lo largo del trayecto

Desarrollo Axonal

• Los axones comienzan a desarrollarse durante la migración y su crecimiento es rápido.
• Los axones avanzan hacia las regiones subcorticales, a otras áreas de la corteza o al hemisferio contralateral.
• Crecen desde el tálamo y conectan con las células corticales.
• El cono de crecimiento permite al axón alcanzar su célula diana.
• Los filopodios son extensiones móviles que reconocen y responden a señales químicas.
• Las sustancias pueden ser de atracción, repulsión o adhesión.
• Se encuentran en el medio extracelular, en la superficie de otras células, en la superficie de axones ya desarrollados y en la superficie de la célula diana.
• Estas señales guían al axón hasta su objetivo.

Desarrollo Dendrítico

• Las dendritas comienzan a crecer cuando la neurona alcanza su posición luego de la migración.
• Hay dos procesos: arborización y formación de espinas.
• Las prolongaciones dendríticas son simples pero con ramificaciones profusas.
• Las espinas son protuberancias que parecen emerger para salir al encuentro de las terminales axónicas.
• Los axones emiten señales químicas necesarias para la diferenciación dendrítica.
• Esto incluye la determinación de qué receptores se sintetizarán para que las espinas dendríticas hagan contacto.
• El desarrollo dendrítico comienza en la etapa prenatal y continua varios meses después del nacimiento.

Desarrollo sinaptico

• Las sinapsis comienzan a formarse al final del embarazo.
• Inicialmente hay pocas sinapsis.
• Este proceso es por factores internos, genéticos y del microambiente celular.
• El número de sinapsis crece muy rápidamente en oleadas antes y después del nacimiento.
• Hay picos con alta densidad sináptica seguidos por mesetas y luego procesos de eliminación o "poda" sináptica.

Crecimiento Posnatal del Cerebro

• La masa cerebral se cuadriplica entre el nacimiento y la edad adulta.
• Este crecimiento se debe sobretodo al aumento del número y complejidad de las dendritas, al incremento de la densidad de las conexiones sinápticas y al proceso de mielinización.

Mielinización

• Es el proceso por el cual los axones de las neuronas son recubiertos por una capa grasa, la vaina de mielina.
• Proporciona aislamiento eléctrico.
• Aumenta la velocidad de conducción del impulso nervioso.
• Es fabricada por células gliales.
• Las neuronas sólo alcanzan su capacidad funcional madura cuando se ha completado su mielinización.
• La mielinización no se produce al mismo tiempo.
• Las regiones maduran siguiendo un orden jerárquico: médula, tronco encefálico, diencéfalo y telencéfalo.

Síntesis del Desarrollo Ontogénico del Sistema Nervioso Humano

• Vemos la formación del tubo neural (neurulación) y de conformación regional.
• Proliferación, migración y diferenciación de las neuronas.
• Desarrollo axonal y dendrítico característico de cada tipo de neurona.
• Ciclos de sinaptogénesis y poda sináptica (parte en vida postnatal).
• Los procesos de proliferación y migración están regulados por información genética y señales químicas.
• El desarrollo de los axones y dendritas está regulado por señales químicas y la apoptosis está regulada por la liberación de factores neurotróficos.
• La mielinización es la acumulación de moléculas de lípidos en forma de vaina.
• El neurodesarrollo abarca muchos años.
• Algunos autores plantean que comienza con el huevo o cigota y termina con la muerte.
• Incluyen el desarrollo embrionario y fetal, el desarrollo posnatal infantil, adolescente, juvenil y la senescencia.
• Hay continuidades del desarrollo pre y posnatal.
• Algunos procesos finalizan antes del nacimiento y otros se inician en las últimas etapas.
• La ontogenia tiene la plasticidad más masiva.
• Permite pasar de una sola célula a un órgano complejo como el cerebro.
• La ontogenia es un ejemplo extraordinario de interacción entre genes y ambiente.
• Los circuitos subyacen a la conducta que son formados, sostenidos y modificados por la acción conjunta de los genes y el ambiente.
• Los procesos implican grandes cambios en la síntesis de proteínas.

El Proceso de Evolución Biológica por Selección Natural

• Charles Darwin provocó una revolución en biología con el libro "Sobre el origen de las especies".
• Darwin se inspiró en la diversidad de las formas biológicas que observó.
• Las especies se originan a partir de la evolución de especies preexistentes.
• Jean-Baptiste Lamarck sostenía que las especies evolucionan y se basa en la “herencia de los caracteres adquiridos.
• Darwin explicó las modificaciones evolutivas con un mecanismo variacional.
• Esto fue la selección natural de las variantes más aptas.
• Para Darwin, el mecanismo subyacente a los cambios evolutivos se basa en la variación de los rasgos.
• Hay mayor tasa de reproducción de algunos individuos.
• La mayor resistencia a los insecticidas en los insectos se explica porque existe variación en la población.
• Los biólogos evolucionistas se centran en las diferencias entre especies diferentes y también entre individuos de la misma especie.
• Darwin contrastó sus ideas durante años antes de publicarlas.
• También hubo retrasos en la publicación de sus ideas.
• Wallace planteaba que la supervivencia de los individuos mejor adaptados produce la mejoría de la raza por generación.
• La revolución más importante provocada por Darwin no fue el planteo de la evolución de las formas biológicas, sino la explicación del mecanismo natural por el cual se produce.
• Esto provocó un cambio fundamental en el objeto de estudio de la biología.

La Teoría de Darwin

• Describe la evolución de las especies con tres principios:
• Principio de variación
• Principio de herencia
• Principio de selección natural
• Los organismos quieren la supervivencia y la reproducción.
• De acuerdo con el principio de variación, los individuos de una misma especie no son idénticos.
• Los rasgos se transmiten a la descendencia porque están influidos genéticamente.
• El principio de selección natural se refiere a la conservación de los rasgos favorables.
• Se produce un pequeño cambio en la composición de la siguiente generación.
• La evolución se refiere a la suma de los pequeños cambios producidos en la composición de muchas generaciones sucesivas.
• La evolución requiere de diferencias interindividuales.
• Los rasgos favorables son seleccionados como consecuencia de la supervivencia y la reproducción.
• La variación surge de manera aleatoria.
• La recombinación genética resultante de la unión de las gametas.
• Las mutaciones causadas por la modificación del ADN.
• Los seres humanos somos el producto de la evolución biológica por selección natural.
• Los rasgos compartimos son seleccionados porque favorecen la supervivencia y la reproducción.

La Interacción de los Factores Genéticos y Ambientales

• Una vieja discusión en psicología ha sido la influencia de los factores genéticos y ambientales sobre la conducta.
• Un enfoque es estudiar cómo interactúan los genes y el ambiente en la determinación de la conducta.
• La conducta de un organismo depende de su dotación genética, de su experiencia y de su percepción de la situación.
• Pinel formula seis pasos que enlazan tres momentos principales de la interacción entre factores:
• La evolución que selecciona la herencia común.
• El desarrollo individual del sistema nervioso.
• Una situación concreta para producir un comportamiento.
• Las condiciones del ambiente actúan como presiones evolutivas.
• La dotación genética de un individuo está restringida a las combinaciones posibles de las variantes de los genes de su especie.
• Hay variación que se produce durante la gametogénesis de óvulos y espermatozoides.
• Los factores ambientales incluyen desde las moléculas presentes en el microambiente del embrión hasta la actividad del propio sistema nervioso.
• La interacción entre la dotación genética del individuo y el ambiente modela los circuitos que sustentan la complejidad de la conducta.
• El organismo actual es resultado del desarrollo y de su experiencia.
• El comportamiento resulta adaptativo y representa una ventaja reproductiva.
• Los genes de ese organismo pueden contribuir a la evolución.
• Los cambios del neurodesarrollo y de la evolución difieren en la escala temporal en que ocurren.
• La biología evolucionista estudia las interacciones genético-ambientales a millones de años.
• La biología del desarrollo estudia la historia individual de interacciones genético-ambientales.