Avances en los cambios de plasticidad cerebral durante el desarrollo con aplicaciones en tratamientos de enfermedades de neurodesarrollo o en el diseño de políticas educativas

Investigadores del Laboratorio de Neurociencia Celular de la Universidad Pablo de Olavide, de Sevilla, dirigido por el catedrático de Fisiología Antonio Rodríguez-Moreno, han descubierto los mecanismos implicados en la desaparición de una forma de plasticidad durante el desarrollo cerebral. Asimismo, han descubierto una nueva forma de plasticidad que aparece a la sexta semana del desarrollo postnatal en la corteza somatosensorial de ratones. Además, han determinado el mecanismo de acción celular involucrado tanto en la pérdida de una forma de plasticidad como en la aparición de otra nueva requiere de un tipo de células gliales, los astrocitos. El Laboratorio de Neurociencia Celular y Plasticidad de la UPO ha sido el primero en determinar que los astrocitos afectan a los períodos críticos de plasticidad. Los resultados del estudio acaban de ser publicados en la revista Journal of Neuroscience.

Esquema explicativo del proceso investigado.

Una de las propiedades más interesantes del cerebro de los mamíferos es su capacidad de cambiar en respuesta a la experiencia. Esta propiedad se denomina plasticidad, y fue llamada así por Santiago Ramón y Cajal en 1894. La plasticidad está involucrada en el refinamiento de las conexiones sinápticas durante el desarrollo y en procesos de aprendizaje y memoria en el adulto. Las formas de plasticidad mejor conocidas son las denominadas depresión de larga duración (LTD) y potenciación de larga duración (LTP).

Asimismo, existen ventanas de plasticidad a lo largo del desarrollo que son responsables de que tengamos mayor facilidad o dificultad para aprender o ejecutar mejor diversas acciones motoras según la edad a la que se produzcan los procesos de aprendizaje (como tocar un instrumento musical o aprender un idioma). La denominada ‘spike timing-dependent plasticity’ parece ser el mecanismo sináptico que ocurre de forma natural en el cerebro durante el desarrollo y durante procesos de aprendizaje y memoria. Investigar por qué determinadas sinapsis dejan de ser plásticas durante el desarrollo es una cuestión fundamental en la neurociencia actual.

Así, los investigadores del Laboratorio de Neurociencia Celular y Plasticidad de la UPO han estudiado los mecanismos involucrados en que una sinapsis fundamental de la corteza somatosensorial deje de ser plástica y en determinar si es posible que una vez que una sinapsis pierde su plasticidad esta pueda volver a recuperarla (volver a abrir la ventana de plasticidad). De esta manera, han descubierto que esta forma de plasticidad (denominada spike timing-dependent LTD, t-LTD), fundamental para que el cerebro se forme correctamente durante el desarrollo, desaparece al final de la cuarta semana del desarrollo en ratones debido al aumento de la inhibición cerebral que se produce porque aumentan los niveles cerebrales extracelulares de adenosina. Esta adenosina es liberada por los astrocitos. Así, cuando los niveles de adenosina aumentan con el desarrollo, la plasticidad de la sinapsis desaparece.

Estos investigadores también han conseguido abrir esta ventana de plasticidad una vez cerrada impidiendo las acciones de la adenosina sobre sus receptores. Novedosamente, los investigadores han encontrado que la LTD no solo desaparece durante el desarrollo, sino que se convierte en otra forma de plasticidad (t-LTP) y que esta conversión se debe a un aumento de la liberación de adenosina por parte de los astrocitos, de forma que los niveles de adenosina liberada por los astrocitos son responsables de que se pueda producir LTD o LTP. Dado que la LTD se supone responsable de los procesos de poda sináptica que ocurren durante el desarrollo y la LTP de los procesos de aprendizaje y memoria, conocer los momentos del desarrollo en que existen LTD y/o LTP y los mecanismos involucrados es fundamental para entender cómo se produce de forma correcta la formación y desarrollo del cerebro y cómo se producen los procesos de aprendizaje y memoria.

Desde la izquierda: Heriberto Coatl-Cuaya, Antonio Rodríguez-Moreno e Irene Martínez Gallego.

Aplicaciones en tratamiento de enfermedades y políticas educativas

Estudiar los mecanismos que producen el cierre y la apertura de las ventanas de plasticidad durante el desarrollo es importante para entender y determinar las respuestas del cerebro a las experiencias y a las lesiones, lo que puede tener implicaciones importantes en la recuperación de lesiones del sistema nervioso, recuperación sensorial (rehabilitación), para el tratamiento de enfermedades de neurodesarrollo e incluso aplicaciones en las políticas educativas, indicando, por ejemplo, cuáles son los mejores momentos del desarrollo en los que el cerebro de los niños está mejor preparado para aprender a leer y a escribir.

Referencias:

Martínez-Gallego, I., Pérez-Rodríguez, M., Coatl-Cuaya, H., Flores, G., Rodríguez-Moreno, A. (2022). Adenosine and astrocytes determine the developmental dynamics of spike timing-dependent plasticity in the somatosensory cortex. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience,  28 Jun 2022:JN-RM-0115-22
DOI: 10.1523/jneurosci.0115-22.2022