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Plasticidad no sináptica

La plasticidad cerebral afecta la fuerza de las conexiones y vías neuronales. La plasticidad no sináptica es una forma de neuroplasticidad que implica la modificación de la func...

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La plasticidad cerebral afecta la fuerza de las conexiones y vías neuronales.

La plasticidad no sináptica es una forma de neuroplasticidad que implica la modificación de la función de los canales iónicos en el axón , las dendritas y el cuerpo celular, lo que resulta en cambios específicos en la integración de los potenciales postsinápticos excitatorios e inhibitorios . La plasticidad no sináptica es una modificación de la excitabilidad intrínseca de la neurona. Interactúa con la plasticidad sináptica , pero se considera una entidad independiente. La modificación intrínseca de las propiedades eléctricas de las neuronas desempeña un papel en muchos aspectos de la plasticidad, desde la plasticidad homeostática hasta el aprendizaje y la memoria . La plasticidad no sináptica afecta la integración sináptica , la propagación subumbral , la generación de potenciales de acción y otros mecanismos fundamentales de las neuronas a nivel celular. Estas alteraciones neuronales individuales pueden dar lugar a cambios en las funciones cerebrales superiores , especialmente en el aprendizaje y la memoria. Sin embargo, al tratarse de un campo emergente en la neurociencia , gran parte del conocimiento sobre la plasticidad no sináptica es incierto y aún requiere más investigación para definir mejor su papel en la función cerebral y el comportamiento.

frente a la plasticidad sináptica

La neuroplasticidad es la capacidad de una parte o región específica de una neurona para modificar su fuerza con el tiempo. Existen dos categorías principales de plasticidad: sináptica y no sináptica. La plasticidad sináptica se relaciona directamente con la fuerza de la conexión entre dos neuronas, incluyendo la cantidad de neurotransmisor liberado por la neurona presináptica y la respuesta generada en la neurona postsináptica . La plasticidad no sináptica implica la modificación de la excitabilidad neuronal en el axón , las dendritas y el soma de una neurona individual, lejos de la sinapsis.

Plasticidad sináptica

La plasticidad sináptica es la capacidad de una sinapsis entre dos neuronas para cambiar su fuerza con el tiempo. La plasticidad sináptica es causada por cambios en el uso de la vía sináptica, es decir, la frecuencia de los potenciales sinápticos y los receptores utilizados para transmitir señales químicas. La plasticidad sináptica juega un papel importante en el aprendizaje y la memoria en el cerebro. La plasticidad sináptica puede ocurrir a través de mecanismos intrínsecos, en los que los cambios en la fuerza de la sinapsis ocurren debido a su propia actividad, o a través de mecanismos extrínsecos, en los que los cambios en la fuerza de la sinapsis ocurren a través de otras vías neuronales. La plasticidad sináptica inhibitoria a corto plazo suele ocurrir debido a un suministro limitado de neurotransmisores en la sinapsis, y la inhibición a largo plazo puede ocurrir a través de una disminución en la expresión de receptores en la célula postsináptica . La plasticidad sináptica complementaria a corto plazo suele producirse debido a un flujo iónico residual o aumentado en la terminal presináptica o postsináptica, mientras que la plasticidad sináptica a largo plazo puede producirse a través del aumento de la producción de receptores de glutamato AMPA y NMDA , entre otros, en la célula postsináptica. [ 1 ]

Plasticidad no sináptica

En comparación, la plasticidad no sináptica es un campo de investigación en neurociencia menos conocido y relativamente nuevo. Se manifiesta a través de cambios en las características de estructuras no sinápticas como el soma (biología) , el axón o las dendritas. La plasticidad no sináptica puede tener efectos a corto o largo plazo. Una forma en que ocurren estos cambios es mediante la modificación de los canales iónicos dependientes de voltaje en las dendritas y el axón, lo que cambia la interpretación de los potenciales excitatorios o inhibitorios que se propagan a la célula. Por ejemplo, la plasticidad no sináptica axonal puede observarse cuando un potencial de acción no llega al terminal presináptico debido a una baja conducción o a la acumulación de iones. [ 2 ]

El soma neuronal, el axón y las dendritas participan en la plasticidad no sináptica y afectan la plasticidad en la sinapsis.

Efectos sinérgicos

Efectos excitatorios generales

Se ha demostrado que la plasticidad no sináptica y sináptica funcionan simultáneamente de diversas maneras para producir efectos estimulantes en la neurona. Esto incluye la generación de potenciales de acción, producto de la regulación no sináptica del potasio y otros canales iónicos presinápticos, que aumentan la respuesta del potencial postsináptico excitatorio mediante la liberación de neurotransmisores y el aumento del potencial de acción. [ 3 ] La plasticidad dendrítica no sináptica también contribuye a los efectos de la plasticidad sináptica mediante la ampliación del potencial de acción. Como se explicará más adelante, el factor neurotrófico derivado del cerebro (BNDF) es producido por las neuronas para coordinar la plasticidad no sináptica y sináptica. [ 4 ] Los cambios no sinápticos en el cuerpo somático, el axón o las dendritas de la neurona están intrínsecamente ligados a la fuerza sináptica.

Integración en la memoria y el aprendizaje

Aunque se conoce mucho más sobre el papel de la plasticidad sináptica en la memoria y el aprendizaje, tanto la plasticidad sináptica como la no sináptica son esenciales para la memoria y el aprendizaje en el cerebro. Existe mucha evidencia de que ambos mecanismos trabajan sinérgicamente para lograr los efectos observados. Un ejemplo clave de esto es la formación de la memoria en la sinapsis, en la que la modificación de los mecanismos de liberación presináptica y los receptores postsinápticos afecta la potenciación o la depresión a largo plazo. Por otro lado, se ha propuesto la despolarización somática continua como un método para el comportamiento aprendido y la memoria mediante la plasticidad no sináptica. La plasticidad no sináptica también aumenta la eficacia de la formación de la memoria sináptica mediante la regulación de los canales iónicos dependientes de voltaje . La plasticidad no sináptica es el mecanismo responsable de las modificaciones de estos canales en el axón, lo que conduce a un cambio en la fuerza del potencial de acción neuronal, afectando invariablemente la fuerza de los mecanismos sinápticos y, por lo tanto, la profundidad y la duración de la codificación de la memoria. [ 5 ] [ 6 ]

Regulación de la plasticidad sináptica

La plasticidad no sináptica también tiene la capacidad de regular los efectos de la plasticidad sináptica mediante mecanismos de retroalimentación negativa . Los cambios en el número y las propiedades de los canales iónicos en el axón o las dendritas pueden disminuir los efectos de una sinapsis hiperestimulada. [ 5 ] [ 6 ] En caso de sobreexcitación extrema de estos canales iónicos, se producirá un flujo retrógrado de iones hacia el interior de la célula, lo que provocará excitotoxicidad y muerte celular por apoptosis o necrosis . [ 7 ]

Mecanismos intrínsecos

Las áreas neuronales no sinápticas, como el axón, también poseen cualidades inherentes que afectan a la sinapsis. Estos mecanismos esenciales incluyen el retraso en la despolarización que experimenta el potencial de acción al viajar a lo largo del axón. Esta cualidad intrínseca ralentiza la propagación de los potenciales de acción y se debe al movimiento de la corriente despolarizante a través del citoplasma y a la ubicación intermitente de los canales de sodio en los nódulos de Ranvier . Estos mecanismos siempre existen, pero pueden variar según las condiciones del soma celular, el axón y las dendritas en cada momento. Por lo tanto, la latencia, o retraso en la propagación de los potenciales de acción o potenciales postsinápticos excitatorios, puede ser variable. Todo potencial postsináptico excitatorio que se propaga a una célula postsináptica se transmite primero a través del potencial de acción a lo largo del axón en la célula presináptica, por lo que la plasticidad no sináptica afecta inherentemente a la plasticidad sináptica. [ 1 ]

Tipos

Las neuronas interactúan en redes complejas que afectan la generación de potenciales de acción en otras neuronas.

Excitabilidad intrínseca de una neurona

La excitabilidad de una neurona en cualquier punto depende de las condiciones internas y externas de la célula en el momento de la estimulación. Dado que una neurona suele recibir múltiples señales simultáneamente, la propagación de un potencial de acción depende de la integración de todos los potenciales postsinápticos excitatorios e inhibitorios que llegan al cono axónico . Si la suma de todas las señales excitatorias e inhibitorias despolariza la membrana celular hasta el voltaje umbral , se genera un potencial de acción. Modificar la excitabilidad intrínseca de una neurona alterará su función.

Generación de picos

La plasticidad no sináptica tiene un efecto excitatorio en la generación de potenciales de acción . El aumento en la generación de potenciales de acción se ha correlacionado con una disminución en el umbral de potencial de acción , [ 3 ] una respuesta de la plasticidad no sináptica. Esta respuesta puede resultar de la modulación de ciertas corrientes presinápticas de K + (iones de potasio) (I A , I K,Ca y I Ks ), que actúan para aumentar la excitabilidad de las neuronas sensoriales, ampliar el potencial de acción y potenciar la liberación de neurotransmisores . Estas modulaciones de las conductancias de K + sirven como mecanismos comunes para regular la excitabilidad y la fuerza sináptica . [ 5 ]

Regulación de la plasticidad sináptica

La plasticidad no sináptica se ha relacionado con la plasticidad sináptica mediante mecanismos tanto sinérgicos como reguladores. El grado de modificación sináptica determina la polaridad de los cambios no sinápticos, afectando la excitabilidad celular. Niveles moderados de plasticidad sináptica producen cambios no sinápticos que actúan sinérgicamente con los mecanismos sinápticos para fortalecer la respuesta. Por el contrario, niveles más robustos de plasticidad sináptica producen respuestas no sinápticas que actúan como un mecanismo de retroalimentación negativa . Estos mecanismos protegen contra la saturación o supresión de la actividad del circuito en su conjunto. [ 5 ]

Modulación axonal

La modulación axonal es un tipo de plasticidad en la que cambia el número, la actividad o la ubicación de los canales iónicos en el axón. Esto provoca que la neurona se comporte de manera diferente al ser estimulada. La modulación de los canales iónicos es una respuesta a un cambio en las frecuencias de estimulación de la neurona.

Plasticidad de propagación
Animación de propagación del potencial de acción

Dado que la suma de los potenciales de acción es lo que finalmente provoca que se supere el umbral de polarización, la relación temporal de las diferentes señales de entrada es crucial para determinar si una neurona postsináptica se activará y cuándo lo hará. Con el tiempo, el tiempo que tarda un potencial de acción en propagarse a lo largo de un axón determinado puede variar. En un experimento, se utilizaron matrices de multielectrodos para medir el tiempo que tardaban los potenciales de acción en viajar de un electrodo a otro, denominado latencia. Posteriormente, se estimularon las neuronas y se registró el valor de la latencia a lo largo del tiempo. Los valores de latencia variaron con el tiempo, lo que sugiere que la plasticidad axonal influye en la propagación de los potenciales de acción. [ 8 ]

Maniobras

El shunting es un proceso en el que los canales iónicos axonales se abren durante el flujo pasivo (sin necesidad de una bomba de iones ) de una despolarización subumbral a lo largo del axón. Generalmente ocurre en los puntos de ramificación axonal, [ 9 ] el momento en que se abren estos canales cuando la señal subumbral llega a la zona provoca que se introduzca una hiperpolarización en la despolarización que fluye pasivamente. Por lo tanto, la célula puede controlar por qué ramas del axón fluye la corriente de despolarización subumbral, lo que resulta en que algunas ramas del axón estén más hiperpolarizadas que otras. Estos diferentes potenciales de membrana hacen que ciertas áreas de la neurona sean más excitables que otras, según la ubicación y la ocurrencia específicas del shunting.

estimulación de alta frecuencia

Efectos a corto plazo: La estimulación de alta frecuencia de una neurona durante un breve período de tiempo aumenta la excitabilidad de la neurona al disminuir la cantidad de voltaje necesaria para disparar un potencial de acción. [ 3 ] La estimulación de alta frecuencia conduce a un aumento en la concentración intracelular de iones de sodio y calcio debido a la apertura repetida de los canales de sodio y calcio dependientes de voltaje en el axón y el terminal. A medida que aumenta la frecuencia de los estímulos, hay menos tiempo entre cada estímulo para que la célula se repolarice y regrese al potencial de reposo normal . Por lo tanto, el potencial de reposo se despolariza más, lo que significa que se necesita una corriente despolarizante menor para disparar un potencial de acción.

Sin embargo, esta modulación suele ser muy efímera. Si cesa la estimulación, la neurona volverá a su potencial de reposo original, ya que los canales iónicos y las bombas tienen tiempo suficiente para recuperarse del último estímulo.

Efectos a largo plazo: La estimulación de alta frecuencia de una neurona durante un período prolongado provoca dos cambios neuronales. Inicialmente, la neurona responde como lo haría durante una estimulación a corto plazo, con un aumento de la excitabilidad. Si se continúa la estimulación de alta frecuencia después de este punto, se produce un cambio drástico e irreversible en la excitabilidad. Cuando las concentraciones de sodio alcanzan un nivel suficientemente alto en el axón, las bombas de sodio/calcio invierten su dirección de flujo, lo que provoca que el calcio se importe a la célula mientras que el sodio se exporta. El aumento de la concentración de calcio (y la consiguiente despolarización de la membrana) inactiva los canales de sodio y los dirige hacia la endocitosis y la hidrólisis lisosomal . [ 10 ] Esto produce una disminución importante de los canales de sodio axónicos, que son necesarios para la propagación del potencial de acción. Si la estimulación continúa, finalmente la neurona dejará de transmitir potenciales de acción y morirá. La muerte neuronal debida a la sobreestimulación se denomina excitotoxicidad .

estimulación de baja frecuencia

Efectos a corto plazo: Todas las neuronas vivas poseen una tasa basal de propagación del potencial de acción y liberación sináptica. Por lo tanto, la estimulación de baja frecuencia de una neurona a corto plazo es similar a la actividad de una neurona en reposo en el cerebro. No se producen cambios importantes en la excitabilidad intrínseca de la neurona.

Efectos a largo plazo: La estimulación de baja frecuencia de una neurona durante un período prolongado disminuye la excitabilidad de la neurona al activar fosfatasas dependientes de calcio que marcan los receptores AMPA para su internalización. [ 11 ] La estimulación de baja frecuencia conduce a bajos niveles de calcio en la célula. Cuando las concentraciones de calcio son bajas, las fosfatasas dependientes de calcio activas predominan sobre las quinasas dependientes de calcio. A medida que se activan más fosfatasas, marcan más receptores AMPA para su internalización a través de la endocitosis. Dado que los receptores AMPA son uno de los principales receptores excitatorios en las neuronas, eliminarlos de la membrana celular efectivamente deprime la célula (si la célula no puede reaccionar a las señales excitatorias, no puede generar un potencial de acción propio). De esta manera, la estimulación de baja frecuencia puede revertir los efectos de la potenciación a largo plazo , [ 12 ] sin embargo, estos conceptos generalmente se consideran tipos de plasticidad sináptica.

Plasticidad homeostática y hebbiana

Las neuronas del sistema nervioso central (SNC) integran señales de muchas neuronas. A corto plazo, es importante que haya cambios en la actividad de la neurona porque así es como se transmite la información en el sistema nervioso ( plasticidad hebbiana ). Sin embargo, para la sostenibilidad a largo plazo, la deriva hacia la excitabilidad o la inexcitabilidad perturbará la capacidad del circuito para transmitir información ( plasticidad homeostática ). La potenciación a largo plazo (LTP) induce una mayor tasa de disparo en las neuronas postsinápticas. Se ha hipotetizado que las propiedades intrínsecas de una neurona deberían estar organizadas para aprovechar al máximo el rango dinámico, actuando como un mecanismo homeostático. [ 13 ] Sin embargo, se ha demostrado que la excitabilidad intrínseca sigue una distribución lognormal que requiere un aprendizaje hebbiano activo para mantenerse. [ 14 ] Estudios in vitro han encontrado que cuando se inhibe la actividad espontánea de los cultivos neuronales, las neuronas se vuelven hiperexcitables y que cuando se induce un aumento en la actividad durante largos períodos, las tasas de disparo del cultivo disminuyen. [ 15 ] [ 16 ] Por el contrario, existe abundante evidencia de que la forma opuesta de regulación, el aprendizaje hebbiano o LTP-IE/LTD-IE, también ocurre [ 17 ] y los argumentos teóricos muestran que la plasticidad hebbiana debe ser la forma dominante de plasticidad también para la excitabilidad intrínseca. [ 14 ] Dado que la plasticidad homeostática también ocurre entre sinapsis individuales, [ 18 ] se demostró que una visión anterior que sugería que la plasticidad homeostática y la plasticidad intrínseca están vinculadas era inconsistente con la evidencia.

Mecanismo

Un mecanismo para preservar el rango dinámico de una neurona es el escalamiento sináptico , una forma homeostática de plasticidad que restaura la actividad neuronal a sus niveles basales normales al cambiar la respuesta postsináptica de las sinapsis de una neurona en función de la actividad. La modulación homeostática de la excitabilidad intrínseca de una neurona es otra forma de mantener la estabilidad. La regulación de las conductancias iónicas se puede lograr de varias maneras, principalmente a través de la liberación de neuromoduladores como la dopamina , la serotonina , etc. [ 19 ] Otra forma es a través de la liberación controlada del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF). También se ha descubierto que el BDNF influye en el escalamiento sináptico, lo que sugiere que este factor neurotrófico puede ser responsable de la coordinación de los mecanismos sinápticos y no sinápticos en la plasticidad homeostática. [ 4 ]

excitabilidad dendrítica

Las dendritas son las regiones responsables de la integración de las entradas de otras neuronas . Una forma en que las neuronas manipulan las propiedades de integración de las dendritas es cambiando el número y las propiedades de los canales iónicos dependientes de voltaje. Inducir la potenciación a largo plazo (LTP) en una sinapsis particular resulta en un aumento de la excitabilidad de las ramas dendríticas específicas de esa sinapsis. [ 20 ] La excitabilidad dendrítica es importante para la propagación e integración de las señales sinápticas. Se cree que la excitabilidad dendrítica contribuye a la potenciación ES, o un aumento en la probabilidad de que una entrada dada resulte en la descarga de un potencial de acción. [ 21 ]

Se sabe que los cambios en la excitabilidad dendrítica afectan la retropropagación del potencial de acción. Los potenciales de acción comienzan cerca del cono axónico y se propagan a lo largo del axón, pero también se propagan hacia atrás a través del soma hacia el árbol dendrítico. La retropropagación activa depende de los canales iónicos y cambiar las densidades o propiedades de estos canales puede influir en el grado de atenuación de la señal . [ 21 ] La plasticidad de la retropropagación en las dendritas ocurre en menos de un minuto y dura más de 25 minutos. [ 22 ] La retropropagación es un método de señalización a las sinapsis de que se disparó un potencial de acción. Esto es importante para la plasticidad dependiente del tiempo de los picos . Se observó experimentalmente una rápida adaptación dendrítica en escalas de tiempo de pocos segundos, lo que indica un posible mecanismo de aprendizaje global significativo. [ 23 ] [ 24 ]

Plasticidad intrínseca

La plasticidad intrínseca es una forma de plasticidad dependiente de la actividad distinta de la plasticidad sináptica , que implica cambios en la sinapsis entre dos neuronas en lugar de cambios en las propiedades eléctricas dentro de una sola neurona. [ 25 ] [ 26 ] Hay algunos fenómenos estrechamente relacionados que pueden afectar la excitabilidad de una neurona, como la neuromodulación , la plasticidad estructural, la plasticidad a corto plazo debida a la cinética de los canales y el desarrollo neuronal . [ 27 ] [ 28 ] No hay consenso sobre la cantidad que regula la plasticidad intrínseca, por ejemplo, la tasa de disparo de una neurona, su ganancia o su concentración interna de calcio. Funcionalmente, la plasticidad intrínseca podría permitir a las neuronas aprender la intensidad de los estímulos y representar esas estadísticas de intensidad en sus excitabilidades. [ 29 ] [ 30 ] La plasticidad intrínseca contribuye a la codificación de la memoria y complementa otras formas de plasticidad dependiente de la actividad, incluida la plasticidad sináptica . [ 31 ]

Función cerebral superior

Memoria asociativa a largo plazo

Evidencia experimental

El experimento de Kemenes et al . [ 2 ] demostró que en una neurona moduladora extrínseca, la plasticidad no sináptica influye en la expresión de la memoria asociativa a largo plazo . La relación entre la plasticidad no sináptica y la memoria se evaluó utilizando células gigantes cerebrales (CGC). La despolarización por estímulos condicionados aumentó la respuesta de la red neuronal. Esta despolarización duró tanto como la memoria a largo plazo . La despolarización persistente y la expresión de la memoria conductual ocurrieron más de 24 horas después del entrenamiento, lo que indica efectos a largo plazo. En este experimento, la expresión electrofisiológica de la huella de memoria a largo plazo fue una respuesta de alimentación inducida por un estímulo condicionado. Las CGC estaban significativamente más despolarizadas en los organismos entrenados que en el grupo control, lo que indica una asociación con el aprendizaje y los cambios de excitabilidad. Cuando las CGC se despolarizaban, mostraban una mayor respuesta a los estímulos condicionados y una respuesta de alimentación ficticia más fuerte. Esto demostró que la despolarización es suficiente para producir una respuesta de alimentación significativa a los estímulos condicionados. Además, no se observó ninguna diferencia significativa en las tasas de alimentación entre los organismos condicionados y los que fueron despolarizados artificialmente, lo que reafirma que la despolarización es suficiente para generar el comportamiento asociado con la memoria a largo plazo. [ 2 ]

Almacenamiento de memoria

La actividad no sináptica en la célula se expresa generalmente como cambios en la excitabilidad neuronal. Esto ocurre mediante la modulación de componentes de la membrana, como los canales iónicos en reposo y dependientes de voltaje, y las bombas de iones . Se cree que los procesos no sinápticos participan en el almacenamiento de la memoria. Un posible mecanismo de esta acción implica marcar una neurona que ha estado activa recientemente con cambios en la excitabilidad. Esto ayudaría a vincular estímulos separados temporalmente. Otro mecanismo potencial proviene de un modelo computacional que indica que la plasticidad no sináptica puede preparar los circuitos para la modificación en el aprendizaje, ya que los cambios en la excitabilidad pueden regular el umbral de la plasticidad sináptica. [ 5 ]

La capacidad de almacenamiento de los sistemas de memoria basados ​​en sinapsis es muy grande, lo que la convierte en un mecanismo atractivo para estudiar. Hay aproximadamente 10⁴ sinapsis por neurona y 10¹¹ neuronas en el cerebro humano. [ 25 ] La plasticidad no sináptica a menudo se pasa por alto simplemente porque su capacidad de almacenamiento no es tan alta. Regular la densidad de canales iónicos en el axón y el soma de una neurona cambiaría el flujo y afectaría a todas las sinapsis. Por lo tanto, su capacidad de almacenamiento sería significativamente menor que la de la plasticidad sináptica.

Aunque su capacidad de almacenamiento es demasiado baja para ser el único mecanismo de almacenamiento, la plasticidad no sináptica podría contribuir a los métodos de almacenamiento sináptico. Se ha demostrado que la modulación de los canales iónicos puede ocurrir en regiones tan pequeñas como las dendritas específicas. [ 20 ] Esta especificidad hace que la capacidad de almacenamiento de la plasticidad no sináptica sea mayor que si se considerara la modulación de la neurona completa. Las memorias procedimentales se ajustan bien a este tipo de sistema de almacenamiento porque no requieren la alta especificidad que sí requieren las memorias declarativas. La generalización de tareas motoras y estímulos condicionados podría ser una forma eficiente de almacenar esta información. [ 25 ]

Aprendiendo

Los cambios en la excitabilidad derivados del aprendizaje que forman parte de la huella de memoria actúan como precursores para iniciar cambios adicionales en las neuronas o mediante un mecanismo de almacenamiento a corto plazo para la memoria a corto plazo. La plasticidad no sináptica puede surgir durante el aprendizaje como resultado de procesos celulares, aunque la cronología, la persistencia y la relación entre la plasticidad no sináptica y la actividad sináptica aún no se comprenden del todo. Los estudios han demostrado que la plasticidad no sináptica desempeña un papel indirecto pero importante en la formación de recuerdos. La plasticidad no sináptica inducida por el aprendizaje se asocia con la despolarización del soma. [ 5 ]

Condicionamiento clásico

Los experimentos han revelado que se producen cambios no sinápticos durante el aprendizaje condicionado . Woody et al . [ 32 ] demostraron que el condicionamiento del parpadeo (CPE), una forma de condicionamiento clásico para estudiar las estructuras neuronales y los mecanismos subyacentes al aprendizaje y la memoria, en un gato se asocia con un aumento de la excitabilidad y la entrada en las neuronas de las áreas corticales sensoriomotoras y en el núcleo facial . Se observó que el aumento de la excitabilidad derivado del condicionamiento clásico continuaba después de que cesara la respuesta. Esto sugiere que el aumento de la excitabilidad puede funcionar como un mecanismo para el almacenamiento de la memoria. [ 5 ]

En el condicionamiento del parpadeo en conejos, se produjeron cambios no sinápticos en todo el hipocampo dorsal . Esto indica que, si bien los cambios de excitabilidad por sí solos no bastan para explicar los procesos de almacenamiento de la memoria, la plasticidad no sináptica podría ser un mecanismo de almacenamiento para fases de memoria limitadas en el tiempo. Los cambios no sinápticos influyen en otros tipos de plasticidad relacionados con la memoria. Por ejemplo, un cambio no sináptico como la despolarización del potencial de membrana en reposo resultante del aprendizaje condicionado podría causar plasticidad sináptica en el aprendizaje futuro. [ 5 ]

Aprendizaje de reglas y ahorro

La capacidad de aprender reglas depende de la plasticidad no sináptica. Un estudio buscó enseñar a ratas a discriminar entre varios olores, y les tomó varios días enseñarles a distinguir entre un primer par de olores. Sin embargo, después de aprender esto, la rata pudo aprender a distinguir entre diferentes olores mucho más rápido. Se observaron cambios en la excitabilidad de las neuronas piramidales en estas ratas durante tres días después del entrenamiento. Estos cambios se desvanecieron finalmente, lo que sugiere que las neuronas estaban involucradas en el aprendizaje de las reglas, no en el almacenamiento de la memoria. [ 5 ] Daoudal y Debanne intentaron determinar si las mismas reglas de aprendizaje y mecanismos de inducción definidos para la plasticidad sináptica también se aplicaban a la plasticidad no sináptica que afecta a los canales iónicos. Determinaron que la plasticidad no sináptica y la sináptica comparten reglas de aprendizaje y vías de inducción comunes, por ejemplo, la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD) dependientes del receptor NMDA . También demostraron que la plasticidad no sináptica y sináptica forman sinérgicamente un engrama coherente para almacenar huellas de memoria. [ 22 ]

El ahorro es la capacidad de reaprender información olvidada mucho más rápido de lo que se aprendió originalmente. La plasticidad no sináptica es un posible mecanismo para este efecto de ahorro. Durante los procedimientos de entrenamiento, muchas neuronas experimentan un aumento en la excitabilidad intrínseca. Este aumento de la excitabilidad persiste incluso después de que la memoria se desvanece. [ 5 ] [ 25 ]

Dependencia de sustancias

Las drogas de abuso suelen afectar al sistema mesolímbico , o más específicamente, a la vía de recompensa del sistema nervioso. Entre las drogas de abuso más comunes, la nicotina es uno de los agonistas más potentes de la sinapsis colinérgica nicotínica. [ 33 ] La nicotina, compitiendo con la acetilcolina (ACh), actúa a través del receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR) preterminal no sináptico para iniciar un cambio en el potencial de membrana y propagar una señal intracelular de Ca 2+ , lo que favorece la liberación de neurotransmisores. El papel específico y característico de la actividad del nAChR mediada por la corriente de calcio tiene una dependencia del voltaje diferente a la de otros canales iónicos permeables al Ca 2+ , así como una distribución temporal y espacial diferente y, como resultado, la actividad del nAChR no sináptico mejora la inducción de la potenciación sináptica, promoviendo el aprendizaje de la dependencia de sustancias . [ 34 ]

Aplicaciones a las enfermedades

Después de los daños

La plasticidad no sináptica puede contribuir a mitigar los efectos del daño cerebral . Cuando uno de los nervios vestibulares se daña, la disparidad en la frecuencia de disparo de las neuronas en los núcleos vestibulares provoca reflejos vestibulares innecesarios. Los síntomas de este daño se atenúan con el tiempo. Esto probablemente se deba a modificaciones en la excitabilidad intrínseca de las neuronas del núcleo vestibular. [ 25 ] [ 35 ]

Actividad convulsiva

La plasticidad no sináptica también desempeña un papel fundamental en la actividad convulsiva . Las convulsiones febriles, es decir, las convulsiones causadas por fiebre en la infancia, pueden aumentar la excitabilidad de las neuronas del hipocampo. Estas neuronas se vuelven altamente sensibles a los agentes convulsivos. Se ha demostrado que las convulsiones en la infancia pueden predisponer a una mayor frecuencia de convulsiones a través de mecanismos no sinápticos. [ 36 ]

El trauma, incluido el accidente cerebrovascular que produce daño cortical , a menudo resulta en epilepsia . El aumento de la excitabilidad y de la conductancia de los receptores NMDA produce actividad epiléptica, lo que sugiere que la plasticidad no sináptica podría ser el mecanismo a través del cual se induce la epilepsia después de un trauma. [ 37 ]

Autismo

El ácido valproico (VPA) es un tratamiento para la epilepsia , las migrañas y el trastorno bipolar que se ha relacionado con diversas afecciones, incluido el autismo . Existe un modelo animal de autismo en el que se administra VPA a ratas preñadas. Las crías presentan rasgos similares a los de los humanos con autismo. Poco después del nacimiento, estos animales muestran una menor excitabilidad y un aumento de las corrientes de NMDA . Estos efectos se corrigen en etapas posteriores de la vida. Los cambios en la excitabilidad intrínseca de estos animales ayudaron a contrarrestar los efectos del aumento de las corrientes de NMDA sobre la actividad de la red neuronal, una forma de plasticidad homeostática. Se cree que esto ayuda a mediar los efectos perjudiciales que tendría el aumento de las corrientes de NMDA. [ 38 ]

Investigación actual y futura

Se necesita investigación adicional para obtener una comprensión más amplia de la plasticidad no sináptica. Temas que deberían explorarse más a partir de enero de 2010. incluir:

  • Cambios de excitabilidad local versus global en redes neuronales y mantenimiento de la huella de memoria [ 5 ]
  • Especificidad de la inducción de cambios de excitabilidad dependientes del aprendizaje [ 5 ]
  • Manipulación de los cambios de excitabilidad dependientes del aprendizaje mediante productos farmacéuticos o mutaciones genéticas y sus efectos en la huella de memoria [ 5 ]
  • Similitudes entre los mecanismos moleculares de la plasticidad sináptica y no sináptica [ 5 ]
  • Comparación de patrones in vivo de plasticidad no sináptica con resultados in vitro [ 5 ]
  • Alteraciones en la expresión genética producidas por la actividad neuronal [ 39 ]

Referencias

  1. 1 2 Byrne, John H. (1997). "Plasticidad sináptica" . Neuroscience Online . Facultad de Medicina de la Universidad de Texas en Houston . Recuperado el 28 de octubre de 2011 .
  2. 1 2 3 Kemenes I, Straub VA, Nikitin ES, Staras K, O'Shea M, Kemenes G, Benjamin PR (julio de 2006). "Papel de la plasticidad neuronal no sináptica retardada en la memoria asociativa a largo plazo" . Current Biology . 16 (13): 1269– 79. Bibcode : 2006CBio...16.1269K . doi : 10.1016/j.cub.2006.05.049 . PMID 16824916. S2CID 16726488 .  
  3. 1 2 3 Hansel C, Linden DJ, D'Angelo E (mayo de 2001). "Más allá de la LTD de fibras paralelas: la diversidad de la plasticidad sináptica y no sináptica en el cerebelo". Nature Neuroscience . 4 (5): 467– 75. doi : 10.1038/87419 . PMID 11319554. S2CID 13919286 .  
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