Plasticidade do desenvolvemento

A plasticidade do desenvolvemento (developmental plasticity) é un termo xeral neurofisiolóxico que se refire aos cambios nas conexións neurais que se producen durante o desenvolvemento como resultado das interaccións co ambiente e os cambios neurais inducidos pola aprendizaxe. Moi similar á neuroplasticidade ou plasticidade cerebral (cambios no cerebro ao longo da vida), a plasticidade do desenvolvemento é específica dos cambios nas neuronas e nas conexións sinápticas como consecuencia de procesos de desenvolvemento.

Mecanismos

Durante o desenvolvemento, o sistema nervioso central adquire información por medio de factores exóxenos ou endóxenos e polas experiencias de aprendizaxe. Ao adquirir e almacenar esa información, a natureza plástica do sistema nervioso central permite a adaptación das conexións neurais existentes para acomodar novas informacións e experiencias, o que ten como resultado a plasticidade do desenvolvemento. Esta forma de plasticidade que ocorre durante o desenvolvemento é o resultado de tres mecanismos predominantes: as plasticidades sináptica e homeostática e a aprendizaxe.

Plasticidade sináptica

O principio subxacente na plasticidade sináptica é que as sinapses sofren un fortalecemento ou debilitamento selectivo e dependente da actividade para que se poida almacenar a nova información. A plasticidade sináptica depende de numerosos factores como o limiar de estímulos presinápticos ademais das concentracións relativas de moléculas neurotransmisoras. A plasticidade sináptica foi implicada desde hai tempo no almacenamento da memoria e crese que xoga un papel clave na aprendizaxe. Porén, durante os períodos de desenvolvemento a plasticidade sináptica é de particular importancia xa que un cambio na rede de conexións sinápticas pode finalmente orixinar cambios nos fitos claves do desenvolvemento. Por exemplo, a sobreprodución inicial de sinapses observada durante o desenvolvemento é clave para a plasticidade que ocorre no córtex visual e auditivo. En experimentos realizados por Hubel e Wiesel, o córtex visual dos gatiños mostra plasticidade sináptica nas conexións neurais afinadas seguindo os inputs visuais. Analogamente, en ausencia deses inputs durante o desenvolvemento, o campo visual non se desenvolve debidamente e poden orixinarse estruturas e comportamentos anormais. Ademais, as investigacións suxiren que esta sobreprodución inicial de sinapses durante os períodos de desenvolvemento proporciona os fundamentos polos cales se poden formar moitas conexións sinápticas, resultando así en máis plasticidade sináptica. Da mesma maneira que as sinapses son abondosas durante o desenvolvemento, hai tamén mecanismos de afinamento que melloran a conectividade de circuítos neurais. Este proceso regulatorio permite o reforzamento de conexións sinápticas importantes ou frecuentemente usadas mentres que reduce a cantidade de conexións febles.

Plasticidade homeostática

Para manter o balance, hai controis homeostáticos que regulan a actividade global de circuítos neurais especificamente regulando os efectos desestabilizadores dos procesos de desenvolvemento e aprendizaxe, que teñen como resultado cambios na forza sináptica. A plasticidade homeostática tamén axudaa regular as respostas excitatorias prolongadas, que levan á redución de todas as respostas sinápticas neuronais. Aínda que os mecanismos exactos por medio dos cales actúa a plasticidade homeostática seguen sendo pouco claros, estudos recentes favorecen a idea de que a plasticidade homeostática é regulada segundo o período do desenvolvemento ou os desafíos que se teñen que superar en circuítos neurais existentes.

Aprendizaxe

Aínda que a plasticidade sináptica se considera un subproduto da aprendizaxe, esta última require a interacción co ambiente para adquirir a nova información ou comportamento, mentres que a plasticidade sináptica simplemente representa o cambio na forza ou configuración de circuítos neurais. A aprendizaxe é de crucial importancia na etapa posnatal, xa que hai unha considerable interacción co ambiente e o potencial para adquirir nova información é o máximo. Ao dependeren grandemente de experiencias selectivas, as conexións neurais son alteradas e reforzadas dun modo que é exclusivo desas experiencias. Experimentalmente isto pode verse cando se crían ratas nun ambiente que permite unha ampla interacción social, o que ten como resultado un incremento no peso do cerebro e no grosor cortical. En contraste, obsérvase o contrario ao crialas nun ambiente desprovisto de interaccións. Ademais, a aprendizaxe xoga un papel mensurable na adquisición selectiva de información e está marcadamente demostrado cando os nenos desenvolven un idioma como oposto a outro. Outro exemplo desa plasticidade dependente das experiencias que é fundamental durante o desenvolvemento é a impronta. Esta aparece como resultado de que un animal xove ou un neno experimentan un estímulo novo e rapidamente aprenden o comportamento de resposta.

Desenvolvemento neural

A formación do sistema nervioso é un dos eventos esenciais no desenvolvemento do embrión. Especificamente, a diferenciación de precursores de células nai en neuronas especializadas dá lugar á formación de sinapses e circuítos neurais, o cal é clave no principio da plasticidade. Durante este momento fundamental do desenvolvemento, os procesos de desenvolvemento consecuentes como a diferenciación e especialización de neuronas son moi sensibles aos factores exóxenos e endóxenos. Por exemplo, a exposición no útero á nicotina foi ligada a efectos adversos como graves déficits físicos e cognitivos como resltado de impedir a activación normal de receptores de acetilcolina. Nun estudo recente estimouse a conexión entre dita exposición á nicotina e o desenvolvemento prenatal. Determinouse que a exposición á nicotina no desenvolvemento temperán pode ter un efecto duradeiro e global sobre as estruturas neuronais, que subxace nos defectos de comportamento e cognitivos observados en humanos e animais expostos. Adicionalmente, ao alterar o funcionamento sináptico correcto por causa da exposición á nicotina, o circuíto no seu conxunto pode facerse menos sensible e reactivo aos estímulos, resultando nunha plasticidade do desenvolvemento compensatoria. Por esa razón esa exposición a varios factores ambientais durante períodos do desenvolvemento pode causar profundos efectos no funcionamento neural.

Afinamento neural e conectividade

Os estadios iniciais do desenvolvemento neural empezan cedo no feto con disparos de impulsos espontáneos nas neuronas en desenvolvemento. Estas conexións temperás son febles e a miúdo solápanse nos extremos terminais das árbores de terminacións. As neuronas xoves teñen un potencial completo de cambiar de morfoloxía durante un período de tempo clasificado como período crítico, para conseguir ter conexións sinápticas afinadas e fortalecidas. Durante este tempo as conexións neuronais danadas poden recuperarse funcionalmente. Poden ocorrer grandes alteracións na lonxitude e localización destas neuronas ata que a circuitería sináptica está máis definida. Aínda que a organización de conexións neurais empeza nos estadios iniciais do desenvolvemento, o afinamento impulsado pola actividade só empeza no nacemento cando as neuronas individuais poden recoñecerse como entidades separadas e empezan a aumentar en especificidade. A poda gradual da ramificación axonal borrosa inicial prodúcese por medio de mecanismos competitivos e facilitativos que dependen da actividade eléctrica nas sinapses: os axóns que disparan impulsos independentemente un do outro tenden a competir polo territorio, mentres que os axóns que de forma sincrónica disparan mutuamente amplifican as conexións. Comprobouse que ata que se establece esta arquitectura, o foco retinal permanece difuso. A perpetuación destas conexións de nova formación ou a súa ausencia depende do mantemento de actividades eléctricas nas sinapses. Despois do afinamento, as elaboradas conexións estréitanse e refórzanse para dispararen só en resposta a estímulos específicos para optimizar a agudeza visual. Estes mecanismos poden funcionar mal coa introdución de toxinas, que se unen a canles de sodio e suprimen os potenciais de acción e consecuentemente a actividade eléctrica entre as sinapses.

A cuantificación da prevalencia das redes sinápticas fíxose principalmente por medio da detección da onda retinal usando indicadores fluorescentes de Ca²⁺. Antes do nacemento, as ondas retinais orixínanse como grupos que se propagan a través da rexión refractaria. Estes ensaios proporcionan datos espazotemporais sobre as explosións aleatorias de potenciais de acción producidas nun período refractario. Outro ensaio desenvolvido recentemente para avaliar a profundidade das conexións neuronais faise por medio do uso da expansión trans-neuronal do virus da rabia. Este método de rastreo emprega a migración dun virus neurotrópico a través de neuronas estreitamente interconectadas e de sitios específicos de etiquetado de determinadas conexións. Os experimentos coa técnica patch-clamp e as imaxes da distribución do calcio a miúdo seguen os resultados preliminares destes ensaios para detectar a actividade neuronal espontánea.

Período crítico

O concepto de períodos críticos é un tema importante e amplamente aceptado no estudo do desenvolvemento, con fortes implicacións na plasticidade do desenvolvemento. Os períodos críticos establecen un marco de tempo no cal se pode dar forma ás redes neurais. Durante estes períodos críticos do desenvolvemento, a plasticidade ocorre como resultado de cambios na estrutura ou función de circuítos neurais en desenvolvemento. Eses períodos críticos poden tamén depender das experiencias, no caso de aprender por medio de novas experiencias. Ou poden ser independentes das experiencias ambientais e dependeren de macanismos biolóxicos como os factores endóxenos e exóxenos. De novo, un dos principais exemplos disto pode verse no desenvolvemento do córtex visual ademais de na adquisición da linguaxe como resultado da plasticidade do desenvolvemento durante o período crítico. Un exemplo menos coñecido é o desenvolvemento crítico do control respiratorio durante os períodos de desenvolvemento. No nacemento, o desenvolvemento dos circuítos neurais de desenvolvemento respiratorio é incompleto, e require complexas interaccións tanto de factores do ambiente coma internos. Expoñer experimentalmente ratas e gatiños de dúas semanas de idade a condicións hiperóxicas, elimina completamente a resposta do quimiorreceptor carotídeo á hipoxia, e consecuentemente o resultado é unha incapacidade respiratoria. Isto ten unha drástica importancia clínica xa que os meniños neonatos son a miúido suplementados con considerables cantidades de oxíxeno, o cal podería afectar negativamente ao modo en que se desenvolven os circuítos neurais para o control respiratorio durante o período crítico. Ademais, cando os estímulos ou experiencias se producen fóra do período crítico, xeralmente os resultados teñen pouco efecto ou este non é duradeiro, o cal podería tamén orixinar graves trastornos no desenvolvemento.

Actividade de rede espontánea

Outro elemento menos coñecido da plasticidade do desenvolvemento inclúe a explosión espontánea de potenciais de acción en circuítos neurais en desenvolvemento, tamén denominada actividade de rede espontánea. Durante o desenvolvemento temperán das conexións neurais, as sinapses excitatorias sofren unha activación espontánea, o que resulta nunha elevación intracelular dos niveis de calcio que sinalizan o comezo de innumerables fervenzas de sinalización e procesos de desenvolvemento. Como exemplo, antes do nacemento os circuítos neurais na retina sofren unha actividade de rede espontánea, que estimula a formación de conexións retinoxeniculadas. Exemplos de actividade de rede espontánea durante o desenvolvemento tamén se observan na formación dos circuítos neuromusculares. Crese que a actividade de rede espontánea establece un armazón para unha aprendizaxe posterior e adquisición de información despois do establecemento inicial de conexións sinápticas durante o desenvolvemento.

Véxase tamén

Outros artigos

• Potenciación a longo prazo
• Depresión a longo prazo

Bibliografía

• Wierenga, Corette J.; Walsh, Michael F.; Turrigiano, Gina G. (2006). "Temporal Regulation of the Expression Locus of Homeostatic Plasticity". Journal of Neurophysiology 96: 2127–2133. PMID 16760351. doi:10.1152/jn.00107.2006. 
• Heath, C. J.; Picciotto (2009). "Nicotine-induced plasticity during development: Modulation of the cholinergic system and long-term consequences for circuits involved in attention and sensory processing". Neuropharmacology 56: 254–262. doi:10.1016/j.neuropharm.2008.07.020. 
• Baudry, Michel; Thompson, Richard F.; Davis, Joel L. "Synaptic Plasticity: Molecular, Cellular, and Functional Aspects". The Quarterly Review of Biology 69: 553–554. doi:10.1086/418827. 
• Bennett, EL; Diamond, MC; Krech, D; Rosenzweig, MR. Chang F-LF; Greenough, WT. (1964). "Lateralized effects of monocular and anatomical plasticity of brain". Science 146: 610–619. PMID 14191699. doi:10.1126/science.146.3644.610. 
• Black, JE (1998). "How A Child Builds Its Brain: Some Lessons from Animal Studies and Neural Plasticity". Preventative Medicine 27: 168–171. doi:10.1006/pmed.1998.0271. 
• Foehring, RC; Lorenzon, NM (1999). "Neuromodulation, Development and Synaptic Plasticity". Canadian Journal of Experimental Psychology 53: 45–61. doi:10.1037/h0087299. 
• Carroll, JL (2003). "Plasticity in Respiratory Motor Control, Invited Review: Developmental plasticity in respiratory control". Journal of Applied Physiology 94: 375–389. doi:10.1152/japplphysiol.00809.2002. 
• Butz, M; Worgotter, F; van Ooyen, A (2009). "Activity-dependent Structural Plasticity". Brain Research Reviews 60: 287–305. doi:10.1016/j.brainresrev.2008.12.023. 
• Feller, M (1999). "Spontaneous Correlated Activity in Developing Neural Circuits". Neuron 22: 653–656. doi:10.1016/s0896-6273(00)80724-2. 
• Gonzalez-Islas, C; Wenner, P (2006). "Spontaneous Network Activity in the Embryonic Spinal Cord Regulates AMPAergic and GABAergic Synaptic Strength". Neuron 49: 563–575. doi:10.1016/j.neuron.2006.01.017.