Mapa corporal, plasticidad y enfermedades neurológicas
Descubrimientos realizados en el Instituto Salk podrían dar mejor comprensión de enfermedades neurológicas como el autismo.
Homúnculo senso-cortical. (crédito: Wilder Penfield)
Investigadores del Instituto Salk han demostrado que es posible alterar la arquitectura funcional de la corteza cerebral y que esa alteración genera cambios significativos en partes del cerebro que se conectan con la corteza y define sus propiedades funcionales.
Dennis O’Leary, titular de Neurobiología Molecular en Salk, fue el primer científico en demostrar que la arquitectura funcional básica de la corteza, la parte más grande del cerebro, podría ser genéticamente determinada durante el desarrollo.
Sin embargo, O’Leary se preguntó: ¿Qué sucedería si la forma de la corteza no fuera fija? ¿Qué sucedería si cambiara?
Tales cambios podrían estar en el centro mismo de problemas de desarrollo neural, como las enfermedades del espectro del autismo (ASD por sus siglas en inglés), sugirió O’Leary y su equipo.
La corteza cerebral humana está involucrada en las funciones más altas, tales como percepción sensorial, razonamiento espacial, pensamiento consciente y lenguaje. Todos los mamíferos tienen áreas en la corteza cerebral que procesa los sentidos, pero la tienen en distintas proporciones.
Los ratones son nocturnos, por lo que tienen un área somatosensorial grande (S1) en la corteza, responsable de la somatosensación, o sensaciones en el cuerpo que incluyen tacto, dolor, temperatura y propiocepción.
“La distribución del área en la corteza se relaciona directamente con el estilo de vida del animal”, indicó Zembrzycki. “Las áreas serán mayores o menores de acuerdo a las necesidades funcionales del animal, no por el tamaño físico de las partes del cuerpo de las cuales recibe información”.
Incluso tamaños relativos a otras especies, las áreas en la corteza de los humanos pueden variar entre los mismos individuos. Tales variaciones podrían esconder el por qué algunas personas parecen ser más aptas para cierto tipo de tareas perceptuales, tales como golpear una pelota de béisbol o detectar el detalle de ilusiones visuales. En pacientes con enfermedades neurológicas existe aún un mayor rango de diferencias.
Las neuronas en S1 están ubicadas en grupos funcionales llamados “mapas corporales” de acuerdo a la densidad de las terminaciones nerviosas en la piel; por ejemplo, hay un mayor grupo de neuronas dedicadas a la piel del rostro que a la piel ubicada en las piernas.
Wilder Penfield, neurocirujano, ilustró magistralmente está idea como un “homúnculo sensorial”, una caricatura con cuerpo desproporcionado de acuerdo a las partes representadas en la corteza.
Los ratones tienen un “ratmúnculo” similar en su corteza en el cual el mapa sensorial de sus bigotes es muy grande.
Estos mapas perceptuales no están fijos de por vida. Por ejemplo, si la inervación de una parte del cuerpo se reduce en una edad temprana durante un período crítico, su mapa podría encogerse, mientras que otras partes del mapa corporal podrían crecer en compensación.
Esto es una versión de la “plasticidad abajo-arriba“, en el cual la experiencia externa afecta los mapas corporales en el cerebro.
Para estudiar la distribución cortical, el equipo de O’Leary alteró un gen regulador, Pax6, en la corteza de ratones. En respuesta, S1 se hizo mucho más pequeña, demostrando así que Pax6 regula su desarrollo. Encontraron que el encogimiento en S1 afectó subsecuentemente otras regiones en el cerebro que alimentan información sensorial a la corteza.
Más interesante aún, también alteró los mapas corporales en estas regiones subcorticales del cerebro, derribando la idea que una vez establecidas, estas regiones del cerebro sólo podrían ser modificadas por la experiencia externa. Llamaron a este fenómeno desconocido con anterioridad “plasticidad arriba-abajo”.
“La plasticidad arriba-abajo complementa de modo inverso la bien conocida plasticidad abajo-arriba inducida por privación sensorial”, indicó O’Leary”.
Normalmente, el mapa corporal en la corteza S1 refleja otros mapas corporales similares en el tálamo, el principal centro de cambio de información sensorial, que transmite somatosensaciones provenientes de la periferia del cuerpo a la corteza S1 a través de “cables” neurales conocidos como axones.
En la nueva plasticidad arriba-abajo recientemente descubierta, cuando S1 se hizo más pequeña, el tálamo sensorial que alimenta esta región subsecuentemente redujo su tamaño.
La historia es aún más intrigante. “De acuerdo a nuestro conocimiento actual sobre el desarrollo de circuitos sensoriales, anticipamos que todas las representaciones corporales en S1 serían afectadas por igual cuando S1 redujo su tamaño”, dijo O’Leary.
“Fue una gran sorpresa para nosotros ver que no sólo era más pequeño el mapa corporal, sino algunas partes estaban por completo desaparecidas. La eliminación específica de partes del mapa corporal es controlado por una competencia exagerada por los recursos corticales dictada por el tamaño de S1 y el juego de conexiones provenientes de las neuronas del tálamo que forman estos mapas en la corteza”.
“Para decirlo en términos simples, ‘si te duermes, pierdes‘”, añade Andreas Zembrzycki, investigador participante en el estudio. “Los axones que tardan más en diferenciarse son los que preferentemente son excluidos del reducido S1 lo que lleva a la eliminación específica de las partes del cuerpo que representan”.
“El punto esencial aquí sobre la plasticidad arriba-abajo es que al alterar el tamaño y patrón de la corteza sensorial se provocan alteraciones en el tálamo sensorial a través de muerte selectiva de neuronas que normalmente representarían partes del cuerpo ausentes en S1”.
“Por consiguiente, una parte del cerebro se remodela para representar la arquitectura de S1, resultando en un cableado aberrante en el cerebro que tiene implicaciones importantes para la percepción y función sensorial. Por ejemplo, los autistas tienen anormalidad robusta en el tacto y otras características de somatosensación”.
O’Leary y Zembrzycki consideran que este proceso proporciona una visión significativa del desarrollo del autismo y otras enfermedades neurales. “Todas las señas del cerebro autista en su desarrollo temprano es que su perfil de área parece ser anormal, con, por ejemplo, un mayor tamaño de la corteza frontal mientras que la corteza en su totalidad conserva su tamaño normal”, indicó O’Leary.
“Está implícito que otras áreas corticales ubicadas detrás de las áreas frontales, como S1, reducirán su tamaño y el tálamo tendrá defectos que se corresponden con los de la corteza sensorial, tal como se ha mostrado en el caso de los pacientes de autismo”.
Otros investigadores participantes en el estudio fueron Shen-Ju Chou del Instituto Salk, Ruth Ashery-Padan y Anastassia Stoykova del Insituto Max Planck para Química Biofísica de Goettingen, Alemania.
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