Segmentación en el sistema nervioso humano

La segmentación es la característica física por la cual el cuerpo humano se divide en subunidades repetitivas llamadas segmentos, dispuestas a lo largo de un eje longitudinal. En los humanos, la segmentación observada en el sistema nervioso tiene importancia biológica y evolutiva. ^{[ 1 ]} La segmentación es un proceso de desarrollo crucial que interviene en la organización y segregación de grupos de células con características diferentes, generando propiedades regionales para dichos grupos celulares y organizándolos tanto dentro de los tejidos como a lo largo del eje embrionario. ^{[ 2 ]}

El sistema nervioso humano consta del sistema nervioso central (SNC), que comprende el cerebro y la médula espinal , y el sistema nervioso periférico (SNP), que comprende las fibras nerviosas que se ramifican desde la médula espinal hacia todas las partes del cuerpo. Ambas partes del sistema nervioso participan activamente en la comunicación de señales entre las distintas partes del cuerpo para asegurar una transferencia fluida y eficiente de información que controla y coordina el movimiento de los músculos y regula las funciones de los órganos. Las neuronas , que forman la unidad elemental del sistema nervioso, reciben mensajes a través de sus dendritas , transmiten la información como una señal eléctrica a lo largo del axón y liberan mensajeros químicos conocidos como neurotransmisores , convirtiendo así la señal eléctrica en una señal química. ^{[ 3 ]}

La segmentación es un proceso de organización crucial que interviene en el desarrollo tanto del sistema nervioso central como del periférico. En el sistema nervioso central, la segmentación participa en la organización de la población neuronal. Además, guía el desarrollo de los axones y contribuye al desarrollo del sistema nervioso periférico. En los animales bilaterales, el plan corporal fundamental implica que los lados izquierdo y derecho sean imágenes especulares entre sí, con un tubo hueco que forma la cavidad intestinal desde la boca hasta el ano, junto con un cordón nervioso con una estructura denominada ganglio para cada segmento del cuerpo. ^{[ 1 ]} De hecho, la mayoría de las evidencias evolutivas apuntan al postulado de que la segmentación es un evento evolutivo independiente que surgió en múltiples ocasiones y que las vías celulares y moleculares de la segmentación podrían mostrar diferencias en distintos contextos debido a este hecho. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La segmentación del sistema nervioso confiere varias ventajas de desarrollo al cuerpo de los vertebrados, ya que los humanos poseen un plan corporal segmentado bilateralmente a nivel del sistema nervioso. La segmentación está presente en todos los niveles del sistema nervioso humano, con un grado creciente de complejidad en la inervación desde el cerebro hasta las extremidades. ^{[ 1 ]} La presencia de características conservadas en diversas especies animales constituye un punto fuerte para el origen del sistema nervioso a partir de un ancestro común. Además, los segmentos neurales forman los bloques de construcción básicos del sistema nervioso humano, y estas subunidades poseen su propio nivel de autonomía, tanto en sentido individual como colectivo. Los segmentos que componen el sistema nervioso, aunque inicialmente similares en su composición, se modifican posteriormente mediante patrones de expresión génica específicos. El patrón segmentario en los seres humanos se puede observar claramente durante la fase temprana del desarrollo. ^{[ 3 ]}

En los seres humanos, la médula espinal constituye una parte importante del sistema nervioso central (SNC). Junto con el cerebro, se desarrolla a partir del cordón nervioso dorsal durante la etapa embrionaria. La médula espinal consta de dilataciones segmentarias llamadas ganglios. Estos ganglios forman la base de las neuronas sensoriales y motoras del sistema nervioso periférico (SNP), que inervan diversas partes del cuerpo. La segmentación vertebral es un proceso que constituye una característica distintiva de este grupo. Inicialmente, se forman los somitas como una estructura epitelial esférica con una luz central revestida por células dispuestas radialmente. A partir de estos somitas se desarrollan estructuras como el esclerotomo mesenquimal , que posteriormente se desarrolla como la columna vertebral junto con la notocorda , y el dermomiotomo, que se divide para formar dos tipos de células. La epitelización secuencial de las varillas mesodérmicas mesenquimales conduce a la formación de los somitas, y las vértebras se originan a partir de estas estructuras. En vertebrados superiores como los humanos, las placas segmentarias se forman durante la gastrulación y aparecen a ambos lados del epitelio neural de la línea media. Posteriormente, durante la neurulación, las placas segmentarias se extienden hacia los lados del tubo neural y la notocorda. Si bien las divisiones celulares mitóticas generan más células dentro de estas placas, su longitud se mantiene constante. Aunque en las células de las placas segmentarias se forman mecanismos de conexión intercelular, como uniones comunicantes y uniones estrechas , estas últimas no participan en la extensa red celular que se observa comúnmente en el epitelio maduro. La N-cadherina , una sustancia química de adhesión célula-célula dependiente de calcio , se encuentra en concentraciones variables en las partes anterior y posterior, con una mayor concentración en la porción anterior de la placa segmentaria y una menor en la posterior. Durante la segmentación, la concentración de N-cadherina aumenta en la porción apical de la superficie celular. Posteriormente, la parte ventromedial del somita se disgrega del esclerotomo tras una pérdida medible de la inmunorreactividad de la N-cadherina en esta región. El cambio observado en la concentración de esta sustancia química ejemplifica el papel del mecanismo molecular mediador en la adhesión célula-célula durante la formación de los somitas. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

El patrón de segmentación observado en los nervios espinales está, de hecho, regido por el mesodermo somático. En las etapas embrionarias de los vertebrados superiores, incluidos los humanos, la segmentación de estos nervios espinales sigue las direcciones de las secciones anterior (A, craneal) y posterior (P, caudal) del mesodermo somita. El patrón de segmentación observado en el sistema nervioso periférico (SNP) deriva del mesodermo paraxial . El mesodermo paraxial se dispone a lo largo de los lados de la notocorda y el tubo neural como estructuras repetitivas llamadas somitas. De hecho, las somitas son una de las primeras estructuras embrionarias en mostrar segmentación. Estructuras asociadas al SNP, como los ganglios de la raíz dorsal (GRD), desarrollan una alineación segmentaria con las somitas. En realidad, los axones de las neuronas del embrión en desarrollo funcionan bajo la dirección de una variedad de señales de largo y corto alcance. Estas señales son responsables de la determinación de la trayectoria de la neurona y del mecanismo de su desarrollo. Los axones pueden seguir diversos mecanismos, incluyendo vías de desarrollo atractivas/permisivas o repulsivas/inhibitorias. ^{[ 6 ]} El confinamiento de los axones que se originan en los ganglios de la raíz dorsal (DRG), las células de la cresta neural y las motoneuronas desde el tubo neural ventral hasta la porción anterior del somita mesodérmico es una característica notable en los vertebrados superiores. ^{[ 7 ]}

En el desarrollo del sistema nervioso de los vertebrados, señales específicas son fundamentales para guiar el crecimiento de los axones. Los axones de las neuronas motoras y sensoriales se desarrollan desde la región del tubo neural y a través de la parte anterior de cada somita. La rotación anteroposterior de 180 grados del segmento del tubo neural alrededor de las somitas demuestra que la segmentación no es un fenómeno intrínseco del tubo neural. Esto se logró mediante experimentos que implicaron la rotación del tubo neural con respecto al mesodermo somítico para posicionarlo frente a la mitad anterior y posterior de la somita. Estos estudios demostraron que el crecimiento de los axones se limita a la porción anterior de la somita, lo que prueba la falta de segmentación intrínseca. Una rotación anteroposterior de 180 grados del mesodermo somítico, manteniendo el tubo neural inalterado, mostró que el crecimiento axonal se limita a la mitad anterior original de las somitas, lo que demuestra cómo la segmentación neural resulta de las somitas. De hecho, se ha demostrado experimentalmente que, dado que el eje embrionario es incapaz de regular las distorsiones posicionales, es vital que la distinción anteroposterior esté claramente definida antes o durante el proceso de segmentación de los somitas. La limitación del crecimiento axonal a la mitad anterior se deriva de las propiedades especiales de los somitas, ya que solo las células anteriores permiten el crecimiento de los axones y las células posteriores lo inhiben. Si bien se observa que los axones posteriores emergen inicialmente opuestos a los esclerotomos de la mitad posterior y luego se dirigen hacia el esclerotomo de la mitad anterior durante el desarrollo, los primeros axones del tubo neural emergen únicamente opuestos al esclerotomo de la mitad anterior. ^{[ 8 ]}

La segmentación en el rombencéfalo y el mesodermo paraxial está altamente regulada por la expresión del gen Hox . Los genes Hox codifican factores de transcripción hélice-giro-hélice y desempeñan un papel fundamental en la especificación de las identidades posicionales de los tejidos a lo largo del eje anteroposterior (eje AP) durante la fase de desarrollo. Los humanos, al igual que otros vertebrados, poseen un total de 39 genes Hox organizados en cuatro grupos diferentes. La propiedad de los genes Hox denominada colinealidad, mediante la cual la disposición, la cronología y los límites de expresión génica en el eje AP están correlacionados, es fundamental para el desarrollo de dominios de expresión ordenados. ^{[ 2 ]} La expresión del gen Hox conduce al desarrollo de códigos de combinación únicos para los diferentes segmentos que especifican su identidad distintiva. Si bien el desarrollo de la segmentación en el rombencéfalo y el mesodermo paraxial es distinto, la expresión de Hox en ambos sistemas está coordinada con el proceso de segmentación morfológica. ^{[ 2 ] [ 9 ]}

El proceso altamente regulado de formación de somitas a partir del mesodermo presomítico (PSM) no segmentado se denomina somitogénesis. La somitogénesis consta de tres pasos básicos: generación del patrón metamérico, etiquetado de cada somita con su identidad anteroposterior y formación de un borde somático. La regularidad en la disposición de los somitas se debe a la actividad de un conjunto de genes expresados ​​de forma dinámica y rítmica en el PSM, concretamente c-hairyl y lunatic fringe. ^{[ 10 ]} Se cree que estos genes están relacionados con la vía de señalización Notch, lo que evidencia la presencia de un reloj de segmentación molecular vinculado al proceso de somitogénesis. La vía de señalización Notch es un paso crucial en la segmentación embrionaria de los vertebrados, desempeñando múltiples funciones, ya que es una de las vías importantes implicadas en la regulación del reloj de segmentación. La somitogénesis es un proceso vital que constituye la base del patrón de segmentación del sistema nervioso. ^{[ 11 ]}

En el sistema nervioso central (SNC) de los vertebrados, existen tres segmentos principales con características morfológicas y de desarrollo distintas: prosomérico, rombomérico y espinal. Aunque en otros grupos de organismos de los taxones protóstomos, la compartimentación del cerebro de los vertebrados en segmentos a lo largo del eje anteroposterior (eje AP) es una característica distintiva del grupo. ^{[ 1 ]} La segmentación del sistema nervioso periférico está fuertemente influenciada por los somitas mesodérmicos metaméricos. La reorganización morfogenética de los somitas en dermamiotomo, formado a partir de la parte dorsal del somita, y esclerotoma ocurre manteniendo el patrón segmentario. El dermamiotomo, que conserva las propiedades epiteliales de su origen, forma la dermis y el músculo esquelético , mientras que el esclerotoma da origen a la columna vertebral y las costillas. El crecimiento selectivo de axones motores y sensoriales a través del esclerotoma anterior de los somitas constituye la razón fundamental de la segmentación del sistema nervioso observada en los nervios espinales. De hecho, las diferencias moleculares dentro de cada somita influyen profundamente en el movimiento de la célula de la cresta neural, el axón motor y el axón sensorial, ya que existen señales atractivas e inhibitorias involucradas en el desarrollo de estas estructuras. Se ha demostrado que moléculas como la butirilcolinesterasa, la tenascina y el antígeno M7412, cuya expresión se restringe al esclerotomo anterior del somita, tienen un efecto mínimo en la segmentación. Además, la falta de participación de moléculas como la fibronectina y la laminina, que se expresan ampliamente en el somita, en el proceso de segmentación sugiere que el papel del esclerotomo anterior del somita en la segmentación del SNP es mínimo. Sin embargo, la segmentación observada en el SNP se debe a moléculas expresadas selectivamente, como la T-cadherina , las proteínas de unión a la lectina de cacahuete (PNA) de 48 y 55 kDa, y proteoglicanos como el colágeno IX, el versicano y un proteoglicano que se une a la citotactina en el esclerotomo posterior de los somitas. Estas moléculas ejercen una fuerte influencia en el patrón de segmentación al restringir el crecimiento de la región. De hecho, estas sustancias químicas inhibidoras expresadas en el esclerotomo posterior forman la base del patrón de segmentación observado en el sistema nervioso de los vertebrados. ^{[ 12 ]} En resumen, la disposición segmentaria del sistema nervioso periférico (SNP) observada en los vertebrados deriva de la división de los esclerotomos en partes anterior y posterior. ^{[ 8 ]}