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Development of the nervous system

The construction of the nervous system is one of the most complex processes in embryology. Development of the nervous system , or neural development ( neurodevelopment ), refers...

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The construction of the nervous system is one of the most complex processes in embryology. Development of the nervous system, or neural development (neurodevelopment), refers to the processes that generate, shape, and reshape the nervous system of animals, from the earliest stages of embryonic development to adulthood. In vertebrates, it begins with the formation of the neural tube from the ectoderm via neurulation. This tube then differentiates into the brain and spinal cord through regionalization and patterning by morphogen gradients. Subsequent stages include neurogenesis (the birth of neurons) neuronal migration, axon guidance, synaptogenesis, and extensive activity-dependent refinement to produce functional neural circuits. This field of neural development draws on both neuroscience and developmental biology to describe and provide insight into the cellular and molecular mechanisms by which complex nervous systems develop, from nematodes and fruit flies to mammals.

Recent advances in genomics and imaging technologies, such as single-cell sequencing and live-cell microscopy, have refined our understanding of neural development at molecular and cellular levels. Techniques such as single-cell RNA sequencing allow researchers to profile gene expression in individual neural progenitors and neurons, revealing previously unknown cellular diversity during development. Defects in neural development can lead to malformations such as holoprosencephaly, and a wide variety of neurological disorders including limb paresis and paralysis, balance and vision disorders, and seizures,[1] and in humans other disorders such as Rett syndrome, Down syndrome and intellectual disability.[2]

Vertebrate brain development

Diagram of the vertebrate nervous system

El sistema nervioso central (SNC) de los vertebrados se deriva del ectodermo , la capa germinal más externa del embrión. Una parte del ectodermo dorsal se especifica como ectodermo neural, el neuroectodermo que forma la placa neural a lo largo del lado dorsal del embrión. [ 3 ] [ 4 ] En los humanos, el cierre del tubo neural generalmente se completa al final de la cuarta semana de gestación. Un cierre incompleto puede resultar en defectos del tubo neural como espina bífida o anencefalia. Esto es parte de la formación temprana del embrión (incluido el embrión de invertebrados) que también establece un eje anteroposterior. [ 5 ] [ 6 ] La placa neural es la fuente de la mayoría de las neuronas y células gliales del SNC. El surco neural se forma a lo largo del eje longitudinal de la placa neural, y esta se pliega para dar origen al tubo neural . [ 7 ] Este proceso se conoce como neurulación . [ 8 ] Cuando el tubo está cerrado en ambos extremos, se llena de líquido cefalorraquídeo embrionario. [ 9 ] A medida que el embrión se desarrolla, la parte anterior del tubo neural se expande y forma tres vesículas cerebrales primarias , que se convierten en el prosencéfalo , el mesencéfalo y el rombencéfalo . Estas vesículas simples y tempranas se agrandan y se dividen aún más en el telencéfalo (futura corteza cerebral y ganglios basales ), el diencéfalo (futuro tálamo e hipotálamo ), el mesencéfalo (futuros colículos ), el metencéfalo (futuro puente y cerebelo ) y el mielencéfalo (futura médula oblongada ). [ 10 ] La cámara central llena de LCR es continua desde el telencéfalo hasta el canal central de la médula espinal y constituye el sistema ventricular en desarrollo del SNC. Líquido cefalorraquídeo embrionariodifiere del que se forma en etapas posteriores del desarrollo y del LCR adulto; influye en el comportamiento de los precursores neuronales. [ 9 ] Debido a que el tubo neural da origen al cerebro y la médula espinal, cualquier mutación en esta etapa del desarrollo puede provocar deformidades fatales como la anencefalia o discapacidades de por vida como la espina bífida . Durante este tiempo, las paredes del tubo neural contienen células madre neurales , que impulsan el crecimiento del cerebro al dividirse muchas veces. Gradualmente, algunas de las células dejan de dividirse y se diferencian en neuronas y células gliales , que son los principales componentes celulares del SNC. [ 4 ] Las neuronas recién generadas migran a diferentes partes del cerebro en desarrollo para autoorganizarse en diferentes estructuras cerebrales. Una vez que las neuronas han alcanzado sus posiciones regionales, extienden axones y dendritas , que les permiten comunicarse con otras neuronas a través de sinapsis . La comunicación sináptica entre neuronas conduce al establecimiento de circuitos neuronales funcionales que median el procesamiento sensorial y motor, y subyacen al comportamiento. [ 11 ]

Diagrama de flujo del desarrollo del cerebro humano

Inducción

Durante el desarrollo embrionario temprano del vertebrado, el ectodermo dorsal se especifica para dar origen a la epidermis y al sistema nervioso; una parte del ectodermo dorsal se especifica a ectodermo neural para formar la placa neural que da origen al sistema nervioso. [ 3 ] [ 12 ] La conversión del ectodermo indiferenciado a neuroectodermo requiere señales del mesodermo . Al inicio de la gastrulación, las células mesodérmicas presuntivas se mueven a través del labio del blastoporo dorsal y forman una capa de mesodermo entre el endodermo y el ectodermo. Las células mesodérmicas migran a lo largo de la línea media dorsal para dar origen a la notocorda que se desarrolla en la columna vertebral . El neuroectodermo que recubre la notocorda se desarrolla en la placa neural en respuesta a una señal difusible producida por la notocorda. El resto del ectodermo da origen a la epidermis. La capacidad del mesodermo para convertir el ectodermo suprayacente en tejido neural se denomina inducción neural .

En el embrión temprano, la placa neural se pliega hacia afuera para formar el surco neural . A partir de la futura región del cuello, los pliegues neurales de este surco se cierran para crear el tubo neural . La formación del tubo neural a partir del ectodermo se llama neurulación . La parte ventral del tubo neural se llama placa basal ; la parte dorsal se llama placa alar . El interior hueco se llama canal neural , y los extremos abiertos del tubo neural, llamados neuroporos, se cierran. [ 13 ]

Un labio de blastoporo trasplantado puede convertir el ectodermo en tejido neural y se dice que tiene un efecto inductivo. Los inductores neurales son moléculas que pueden inducir la expresión de genes neurales en explantes de ectodermo sin inducir también genes mesodérmicos. La inducción neural se estudia a menudo en embriones de Xenopus , ya que tienen un plan corporal simple y existen buenos marcadores para distinguir entre tejido neural y no neural. Ejemplos de inductores neurales son las moléculas noggin y chordin .

Cuando las células ectodérmicas embrionarias se cultivan a baja densidad en ausencia de células mesodérmicas, experimentan diferenciación neural (expresan genes neurales), lo que sugiere que la diferenciación neural es el destino por defecto de las células ectodérmicas. En cultivos de explantes (que permiten interacciones directas célula-célula), las mismas células se diferencian en epidermis. Esto se debe a la acción de BMP4 (una proteína de la familia TGF-β ) que induce la diferenciación de los cultivos ectodérmicos en epidermis. Durante la inducción neural, el mesodermo dorsal (notocorda) produce noggin y chordin, que se difunden en el ectodermo suprayacente para inhibir la actividad de BMP4. Esta inhibición de BMP4 provoca la diferenciación de las células en células neurales. La inhibición de la señalización de TGF-β y BMP (proteína morfogenética ósea) puede inducir eficazmente tejido neural a partir de células madre pluripotentes . [ 14 ]

Regionalización

En una etapa posterior del desarrollo, la parte superior del tubo neural se flexiona a la altura del futuro mesencéfalo , en la flexura mesencefálica o cefálica . Por encima del mesencéfalo se encuentra el prosencéfalo (futuro cerebro anterior) y por debajo, el rombencéfalo (futuro cerebro posterior).

La placa alar del prosencéfalo se expande para formar el telencéfalo , que da origen a los hemisferios cerebrales , mientras que su placa basal se convierte en el diencéfalo . La vesícula óptica (que eventualmente se convertirá en el nervio óptico, la retina y el iris) se forma en la placa basal del prosencéfalo.

Patrones

En los cordados , el ectodermo dorsal forma todo el tejido neural y el sistema nervioso. La formación de patrones se produce debido a condiciones ambientales específicas: diferentes concentraciones de moléculas de señalización.

Eje dorsoventral

La mitad ventral de la placa neural está controlada por la notocorda , que actúa como el "organizador". La mitad dorsal está controlada por la placa ectodérmica , que flanquea ambos lados de la placa neural. [ 15 ]

El ectodermo sigue una vía predeterminada para convertirse en tejido neural. La evidencia de esto proviene de células individuales de ectodermo cultivadas, que posteriormente forman tejido neural. Se postula que esto se debe a la falta de BMP , las cuales son bloqueadas por el organizador. El organizador podría producir moléculas como folistatina , noggin y chordin que inhiben las BMP.

El tubo neural ventral se forma mediante la proteína Sonic hedgehog (Shh) de la notocorda, que actúa como tejido inductor. La proteína Shh derivada de la notocorda envía señales a la placa del piso e induce la expresión de Shh en esta. Posteriormente, la proteína Shh derivada de la placa del piso envía señales a otras células del tubo neural, lo cual es esencial para la correcta especificación de los dominios de los progenitores neuronales ventrales. La pérdida de Shh de la notocorda o de la placa del piso impide la correcta especificación de estos dominios de progenitores. Shh se une a Patched 1, liberando la inhibición de Smoothened mediada por Patched , lo que conduce a la activación de la familia de factores de transcripción Gli ( GLI1 , GLI2 y GLI3 ).

En este contexto, Shh actúa como un morfógeno : induce la diferenciación celular según su concentración. A bajas concentraciones forma interneuronas ventrales , a concentraciones más altas induce el desarrollo de motoneuronas y a concentraciones máximas induce la diferenciación de la placa del suelo. Un fallo en la diferenciación modulada por Shh provoca holoprosencefalia .

El tubo neural dorsal se forma mediante las BMP del ectodermo epidérmico que flanquea la placa neural. Estas inducen la formación de interneuronas sensoriales mediante la activación de las quinasas Sr/Thr y la alteración de los niveles del factor de transcripción SMAD .

Eje rostrocaudal (anteroposterior)

Las señales que controlan el desarrollo neural anteroposterior incluyen FGF y ácido retinoico , que actúan en el rombencéfalo y la médula espinal. [ 16 ] El rombencéfalo, por ejemplo, está modelado por genes Hox , que se expresan en dominios superpuestos a lo largo del eje anteroposterior bajo el control del ácido retinoico. Los genes 3 ′ (extremo 3 prima) en el clúster Hox son inducidos por el ácido retinoico en el rombencéfalo, mientras que los genes Hox 5 ′ (extremo 5 prima) no son inducidos por el ácido retinoico y se expresan más posteriormente en la médula espinal. Hoxb-1 se expresa en el rombómero 4 y da origen al nervio facial . Sin esta expresión de Hoxb-1, surge un nervio similar al nervio trigémino .

Neurogénesis

La neurogénesis es el proceso mediante el cual se generan neuronas a partir de células madre neurales y células progenitoras . Las neuronas son "postmitóticas", lo que significa que nunca se dividirán de nuevo durante la vida del organismo. [ 11 ]

Las modificaciones epigenéticas desempeñan un papel clave en la regulación de la expresión génica en las células madre neurales en diferenciación y son fundamentales para la determinación del destino celular en el cerebro de mamíferos en desarrollo y adulto. Las modificaciones epigenéticas incluyen la metilación de la citosina del ADN para formar 5-metilcitosina y la desmetilación de la 5-metilcitosina . [ 17 ] [ 18 ] La metilación de la citosina del ADN es catalizada por las ADN metiltransferasas (DNMT) . La desmetilación de la metilcitosina es catalizada en varios pasos secuenciales por las enzimas TET que llevan a cabo reacciones oxidativas (por ejemplo, de 5-metilcitosina a 5-hidroximetilcitosina ) y enzimas de la vía de reparación por escisión de bases del ADN (BER). [ 17 ]

Migración neuronal

Corticogénesis : las neuronas más jóvenes migran pasando por las más viejas utilizando la glía radial como andamiaje. Las células de Cajal-Retzius (rojas) liberan reelina (naranja).

La migración neuronal es el método mediante el cual las neuronas viajan desde su origen o lugar de nacimiento hasta su posición final en el cerebro. Existen varias formas en que pueden hacerlo, por ejemplo, mediante migración radial o tangencial. Se han capturado secuencias de migración radial (también conocida como guía glial) y translocación somática mediante microscopía de lapso de tiempo . [ 19 ]

Migración tangencial de interneuronas desde la eminencia ganglionar

Radial

Las células precursoras neuronales proliferan en la zona ventricular de la neocorteza en desarrollo , donde la principal célula madre neural es la célula glial radial . Las primeras células posmitóticas deben abandonar el nicho de células madre y migrar hacia afuera para formar la preplaca, que está destinada a convertirse en células de Cajal-Retzius y neuronas de la subplaca . Estas células lo hacen mediante translocación somática. Las neuronas que migran con este modo de locomoción son bipolares y unen el borde anterior de la prolongación a la piamadre . El soma es transportado a la superficie pial por nucleocinesis , un proceso por el cual una "jaula" de microtúbulos alrededor del núcleo se alarga y se contrae en asociación con el centrosoma para guiar el núcleo a su destino final. [ 20 ]

Las células gliales radiales , cuyas fibras sirven de andamiaje para las células migrantes y de medio de comunicación radial mediada por la actividad dinámica del calcio, [ 21 ] [ 22 ] actúan como la principal célula madre neuronal excitatoria de la corteza cerebral [ 23 ] [ 24 ] o se translocan a la placa cortical y se diferencian en astrocitos o neuronas . [ 25 ] La translocación somática puede ocurrir en cualquier momento del desarrollo. [ 19 ]

Las oleadas posteriores de neuronas dividen la preplaca migrando a lo largo de las fibras gliales radiales para formar la placa cortical. Cada oleada de células migrantes viaja más allá de sus predecesoras formando capas de adentro hacia afuera, lo que significa que las neuronas más jóvenes son las más cercanas a la superficie. [ 26 ] [ 21 ] Se estima que la migración guiada por la glía representa el 90 % de las neuronas migrantes en humanos y alrededor del 75 % en roedores. [ 27 ]

Tangencial

La mayoría de las interneuronas migran tangencialmente a través de múltiples vías para alcanzar su ubicación adecuada en la corteza. Un ejemplo de migración tangencial es el movimiento de las interneuronas desde la eminencia ganglionar hasta la corteza cerebral. Un ejemplo de migración tangencial continua en un organismo maduro, observada en algunos animales, es la corriente migratoria rostral que conecta la zona subventricular con el bulbo olfatorio .

Axofílico

Muchas neuronas que migran a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo utilizan tractos axónicos existentes para migrar; esto se denomina migración axofílica. Un ejemplo de este modo de migración se encuentra en las neuronas que expresan GnRH , las cuales realizan un largo viaje desde su lugar de origen en la nariz, a través del prosencéfalo, hasta el hipotálamo. [ 28 ] Se han dilucidado muchos de los mecanismos de esta migración, comenzando con las señales de guía extracelulares [ 29 ] que desencadenan la señalización intracelular. Estas señales intracelulares, como la señalización de calcio , conducen a la dinámica del citoesqueleto de actina [ 30 ] y microtúbulos [ 31 ] , que producen fuerzas celulares que interactúan con el entorno extracelular a través de proteínas de adhesión celular [ 32 ] para causar el movimiento de estas células.

Multipolar

También existe un método de migración neuronal denominado migración multipolar . [ 33 ] [ 34 ] Este se observa en las células multipolares, que en el ser humano se encuentran abundantemente en la zona intermedia cortical . No se asemejan a las células que migran por locomoción o translocación somática. En cambio, estas células multipolares expresan marcadores neuronales y extienden múltiples prolongaciones delgadas en diversas direcciones, independientemente de las fibras gliales radiales. [ 33 ]

Factores neurotróficos

La supervivencia de las neuronas está regulada por factores de supervivencia, denominados factores tróficos. La hipótesis neurotrófica fue formulada por Victor Hamburger y Rita Levi Montalcini a partir de estudios del sistema nervioso en desarrollo. Victor Hamburger descubrió que implantar una extremidad adicional en el polluelo en desarrollo provocaba un aumento en el número de motoneuronas espinales. Inicialmente, pensó que la extremidad adicional inducía la proliferación de motoneuronas, pero él y sus colegas demostraron posteriormente que se producía una gran cantidad de muerte neuronal durante el desarrollo normal, y que la extremidad adicional prevenía esta muerte celular. Según la hipótesis neurotrófica, los axones en crecimiento compiten por cantidades limitadas de factores tróficos derivados de la célula diana, y los axones que no reciben suficiente soporte trófico mueren por apoptosis. Actualmente, se sabe que diversos factores producidos por distintas fuentes contribuyen a la supervivencia neuronal.

  • Factor de crecimiento nervioso (NGF): Rita Levi Montalcini y Stanley Cohen purificaron el primer factor trófico, el factor de crecimiento nervioso (NGF), por lo que recibieron el Premio Nobel. Existen tres factores tróficos relacionados con el NGF: BDNF, NT3 y NT4, que regulan la supervivencia de diversas poblaciones neuronales. Las proteínas Trk actúan como receptores del NGF y factores relacionados. Trk es una tirosina quinasa receptora. La dimerización y fosforilación de Trk conduce a la activación de diversas vías de señalización intracelular, incluidas las vías de la MAP quinasa, Akt y PKC.
  • CNTF: El factor neurotrófico ciliar es otra proteína que actúa como factor de supervivencia para las neuronas motoras. CNTF actúa a través de un complejo receptor que incluye CNTFRα, GP130 y LIFRβ. La activación del receptor conduce a la fosforilación y el reclutamiento de la quinasa JAK, que a su vez fosforila LIFRβ . LIFRβ actúa como sitio de unión para los factores de transcripción STAT. La quinasa JAK fosforila las proteínas STAT, que se disocian del receptor y se translocan al núcleo para regular la expresión génica.
  • GDNF: El factor neurotrófico derivado de la glía pertenece a la familia de proteínas TGFβ y es un potente factor trófico para las neuronas estriatales. Su receptor funcional es un heterodímero compuesto por receptores de tipo 1 y tipo 2. La activación del receptor de tipo 1 induce la fosforilación de las proteínas Smad, que se translocan al núcleo para activar la expresión génica.

Formación de sinapsis

Unión neuromuscular

Gran parte de nuestro conocimiento sobre la formación de sinapsis proviene de estudios en la unión neuromuscular. El neurotransmisor en esta sinapsis es la acetilcolina. El receptor de acetilcolina (AChR) está presente en la superficie de las células musculares antes de la formación de la sinapsis. La llegada del nervio induce la agrupación de los receptores en la sinapsis. McMahan y Sanes demostraron que la señal sinaptogénica se concentra en la lámina basal . También demostraron que la señal sinaptogénica es producida por el nervio e identificaron el factor como agrina . La agrina induce la agrupación de AChR en la superficie muscular y la formación de sinapsis se ve alterada en ratones knock-in de agrina. La agrina transduce la señal a través del receptor MuSK a la rapsina . Fischbach y sus colegas demostraron que las subunidades del receptor se transcriben selectivamente desde núcleos adyacentes al sitio sináptico. Esto está mediado por las neuregulinas.

En la sinapsis madura, cada fibra muscular está inervada por una neurona motora. Sin embargo, durante el desarrollo, muchas fibras están inervadas por múltiples axones. Lichtman y sus colegas estudiaron el proceso de eliminación de sinapsis. [ 35 ] Este es un evento dependiente de la actividad. El bloqueo parcial del receptor conduce a la retracción de las terminales presinápticas correspondientes. Posteriormente, utilizaron un enfoque conectómico, es decir, rastrearon todas las conexiones entre neuronas motoras y fibras musculares, para caracterizar la eliminación de sinapsis durante el desarrollo a nivel de un circuito completo. El análisis confirmó la reorganización masiva, una disminución de 10 veces en el número de sinapsis, que tiene lugar a medida que los axones podan sus unidades motoras pero agregan más áreas sinápticas en las uniones neuromusculares con las que permanecen en contacto. [ 36 ]

sinapsis del SNC

La agrina no parece ser un mediador central de la formación de sinapsis en el SNC, y existe un gran interés en identificar las señales que median la sinaptogénesis en el SNC. Las neuronas en cultivo desarrollan sinapsis similares a las que se forman in vivo, lo que sugiere que las señales sinaptogénicas pueden funcionar correctamente in vitro. Los estudios sobre la sinaptogénesis en el SNC se han centrado principalmente en las sinapsis glutamatérgicas. Los experimentos de imagen muestran que las dendritas son altamente dinámicas durante el desarrollo y a menudo inician el contacto con los axones. A esto le sigue el reclutamiento de proteínas postsinápticas en el sitio de contacto. Stephen Smith y sus colegas han demostrado que el contacto iniciado por filopodios dendríticos puede desarrollarse en sinapsis.

Inducción de la formación de sinapsis por factores gliales: Barres y colaboradores observaron que ciertos factores presentes en el medio condicionado por células gliales inducen la formación de sinapsis en cultivos de células ganglionares de la retina. La formación de sinapsis en el SNC se correlaciona con la diferenciación de astrocitos, lo que sugiere que estos podrían actuar como factor sinaptogénico. Aún se desconoce la identidad de dichos factores astrocíticos.

Neuroliginas y SynCAM como señales sinaptogénicas: Sudhof, Serafini, Scheiffele y colaboradores han demostrado que las neuroliginas y la SynCAM pueden actuar como factores inductores de la diferenciación presináptica. Las neuroliginas se concentran en la región postsináptica y actúan a través de las neurexinas, que se concentran en los axones presinápticos. La SynCAM es una molécula de adhesión celular presente tanto en las membranas presinápticas como postsinápticas.

Ensamblaje de circuitos neuronales

Se cree generalmente que los procesos de migración neuronal , diferenciación y guía axonal son mecanismos independientes de la actividad y dependen de programas genéticos preestablecidos en las propias neuronas. Sin embargo, los hallazgos de la investigación han implicado un papel para los mecanismos dependientes de la actividad en la mediación de algunos aspectos de estos procesos, como la tasa de migración neuronal, [ 37 ] aspectos de la diferenciación neuronal [ 38 ] y la búsqueda de rutas axónicas. [ 39 ] Estos tres procesos están dirigidos por señales moleculares que actúan como fuerzas de guía para los axones en crecimiento: quimioatracción (a través del uso de netrinas ), quimiorrepulsión (a través del uso de semaforinas secretadas ), atracción por contacto ( cadherinas ) y repulsión por contacto ( semaforinas ). [ 40 ] Los mecanismos dependientes de la actividad influyen en el desarrollo de los circuitos neuronales y son cruciales para establecer los mapas de conectividad temprana y el refinamiento continuo de las sinapsis que ocurre durante el desarrollo. [ 41 ] Hay dos tipos distintos de actividad neuronal que observamos en los circuitos en desarrollo: actividad espontánea temprana y actividad evocada sensorialmente. La actividad espontánea ocurre tempranamente durante el desarrollo del circuito neuronal incluso cuando no hay entrada sensorial y se observa en muchos sistemas como el sistema visual en desarrollo , [ 42 ] [ 43 ] el sistema auditivo , [ 44 ] [ 45 ] el sistema motor , [ 46 ] el hipocampo , [ 47 ] el cerebelo [ 48 ] y la neocorteza . [ 49 ]

Técnicas experimentales como el registro electrofisiológico directo, la imagen de fluorescencia utilizando indicadores de calcio y las técnicas optogenéticas han arrojado luz sobre la naturaleza y función de estas ráfagas tempranas de actividad. [ 50 ] [ 51 ] Tienen patrones espaciales y temporales distintos durante el desarrollo [ 52 ] y se sabe que su ablación durante el desarrollo resulta en déficits en el refinamiento de la red en el sistema visual. [ 53 ] En la retina inmadura , ondas de potenciales de acción espontáneos surgen de las células ganglionares de la retina y barren la superficie retiniana en las primeras semanas posnatales. [ 54 ] Estas ondas están mediadas por el neurotransmisor acetilcolina en la fase inicial y más tarde por el glutamato . [ 55 ] Se cree que instruyen la formación de dos mapas sensoriales: el mapa retinotópico y la segregación específica del ojo. [ 41 ] El refinamiento del mapa retinotópico ocurre en objetivos visuales posteriores en el cerebro: el colículo superior (SC) y el núcleo geniculado lateral dorsal (LGN). [ 56 ] La alteración farmacológica y los modelos de ratón que carecen de la subunidad β2 del receptor nicotínico de acetilcolina han demostrado que la falta de actividad espontánea conduce a defectos marcados en la retinotopía y la segregación específica de los ojos. [ 41 ]

Estudios recientes confirman que la microglía , la célula inmunitaria residente del cerebro, establece contactos directos con los cuerpos celulares de las neuronas en desarrollo y, a través de estas conexiones, regula la neurogénesis, la migración, la integración y la formación de redes neuronales de manera dependiente de la actividad. [ 57 ]

En el sistema auditivo en desarrollo , la cóclea en desarrollo genera ráfagas de actividad que se propagan a través de las células ciliadas internas y las neuronas del ganglio espiral que transmiten información auditiva al cerebro. [ 58 ] La liberación de ATP de las células de soporte desencadena potenciales de acción en las células ciliadas internas . [ 59 ] En el sistema auditivo, se cree que la actividad espontánea está involucrada en la formación del mapa tonotópico al segregar los axones de las neuronas cocleares sintonizados a frecuencias altas y bajas. [ 58 ] En el sistema motor, las ráfagas periódicas de actividad espontánea son impulsadas por GABA y glutamato excitatorios durante las etapas tempranas y por acetilcolina y glutamato en etapas posteriores. [ 60 ] En la médula espinal en desarrollo del pez cebra , la actividad espontánea temprana es necesaria para la formación de ráfagas alternas cada vez más sincrónicas entre las regiones ipsilaterales y contralaterales de la médula espinal y para la integración de nuevas células en el circuito. [ 61 ] Se cree que las neuronas motoras que inervan las mismas fibras musculares de contracción rápida mantienen una actividad sincrónica que permite que ambas neuronas permanezcan en contacto con la fibra muscular en la edad adulta. [ 36 ] En la corteza , se han observado ondas tempranas de actividad en el cerebelo y en cortes corticales. [ 62 ] Una vez que el estímulo sensorial está disponible, el ajuste fino final de los mapas de codificación sensorial y el refinamiento del circuito comienzan a depender cada vez más de la actividad evocada sensorialmente, como lo demuestran los experimentos clásicos sobre los efectos de la privación sensorial durante períodos críticos . [ 62 ]

Las técnicas contemporáneas de resonancia magnética ponderada por difusión también pueden revelar el proceso macroscópico del desarrollo axonal. El conectoma se puede construir a partir de datos de resonancia magnética de difusión : los vértices del gráfico corresponden a áreas de materia gris etiquetadas anatómicamente, y dos de esos vértices, digamos u y v , están conectados por una arista si la fase de tractografía del procesamiento de datos encuentra una fibra axonal que conecta las dos áreas, correspondientes a u y v .

Dinámica del conectoma de consenso

Numerosos braingraphs, calculados a partir del Proyecto Conectoma Humano, pueden descargarse desde el sitio http://braingraph.org . La Dinámica del Conectoma de Consenso (CCD) es un fenómeno notable que se descubrió al disminuir continuamente el parámetro de confianza mínimo en la interfaz gráfica del Servidor de Conectoma de Referencia de Budapest . [ 63 ] [ 64 ] El Servidor de Conectoma de Referencia de Budapest ( http://connectome.pitgroup.org ) representa las conexiones cerebrales de n=418 sujetos con un parámetro de frecuencia k: para cualquier k=1,2,...,n se puede ver el gráfico de los bordes que están presentes en al menos k conectomas. Si el parámetro k se disminuye uno por uno desde k=n hasta k=1 entonces aparecen más y más bordes en el gráfico, ya que la condición de inclusión se relaja. La observación sorprendente es que la aparición de los bordes está lejos de ser aleatoria: se asemeja a una estructura compleja en crecimiento, como un árbol o un arbusto (visualizado en la animación de la izquierda).

En [ 65 ] se plantea la hipótesis de que la estructura en crecimiento copia el desarrollo axonal del cerebro humano : las conexiones que se desarrollan más tempranamente (fibras axonales) son comunes en la mayoría de los sujetos, y las conexiones que se desarrollan posteriormente tienen una varianza cada vez mayor, porque sus varianzas se acumulan en el proceso de desarrollo axonal.

eliminación de sinapsis

La eliminación de sinapsis es una de las partes más cruciales del refinamiento de los circuitos neuronales en desarrollo durante el desarrollo embrionario. Inicialmente, el sistema nervioso crea un exceso de conexiones neuronales para asegurar que todas las células diana sean contactadas. Esto ocurre principalmente en el sistema nervioso de los vertebrados en desarrollo. [ 66 ] La razón por la que esto sucede es asegurar que todas las células de la población diana estén inervadas. Varias neuronas motoras compiten entonces por cada unión neuromuscular, pero solo una sobrevive hasta la edad adulta. [ 35 ] Se ha demostrado que la competencia in vitro implica una sustancia neurotrófica limitada que se libera, o que la actividad neuronal confiere ventaja a las conexiones postsinápticas fuertes al ofrecer resistencia a una toxina también liberada tras la estimulación nerviosa. In vivo , se sugiere que las fibras musculares seleccionan la neurona más fuerte a través de una señal retrógrada o que los mecanismos de eliminación de sinapsis dependientes de la actividad determinan la identidad del axón "ganador" en una placa motora terminal. [ 36 ] El axón ganador es una representación del proceso de "poda" de las sinapsis más débiles y menos activas para aumentar la eficiencia.

Cartografía

El mapeo cerebral puede mostrar cómo cambia el cerebro de un animal a lo largo de su vida. En 2021, los científicos mapearon y compararon los cerebros completos (ganglios cefálicos [ 67 ] ) de ocho gusanos C. elegans a lo largo de su desarrollo a nivel neuronal [ 68 ] [ 69 ] y el cableado completo de un solo músculo de mamífero desde el nacimiento hasta la edad adulta. [ 36 ]

neurogénesis adulta

La neurogénesis también se produce para generar neuronas funcionales en adultos. Esto ocurre en partes específicas del cerebro adulto, como el giro dentado del hipocampo. [ 70 ] La neurogénesis adulta fue descubierta por primera vez en modelos de ratas por Altman y Das, [ 71 ] ya que hasta entonces solo se conocía su presencia durante el desarrollo embrionario.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Signos y enfermedades neurológicas" . 2 de noviembre de 2016. Archivado del original el 2 de noviembre de 2016. Consultado el 1 de mayo de 2020 .
  2. ↑ "Defectos del tubo neural" . Consultado el 6 de diciembre de 2011 .
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  • Desarrollo Neural (revista de acceso abierto con revisión por pares).
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