Desarrollo del sistema nervioso en humanos - Development of the nervous system in humans

El desarrollo del sistema nervioso en los seres humanos , o el desarrollo neuronal o el neurodesarrollo implica los estudios de embriología , biología del desarrollo y neurociencia para describir los mecanismos celulares y moleculares mediante los cuales el complejo sistema nervioso se forma en los seres humanos, se desarrolla durante el desarrollo prenatal y continúa desarrollándose . desarrollarse postnatalmente.

Algunos hitos del desarrollo neuronal en el embrión incluyen el nacimiento y la diferenciación de neuronas a partir de precursores de células madre ( neurogénesis ); la migración de neuronas inmaduras desde sus lugares de nacimiento en el embrión hasta sus posiciones finales; el crecimiento de los axones de las neuronas y la guía del cono de crecimiento móvil a través del embrión hacia los socios postsinápticos, la generación de sinapsis entre estos axones y sus socios postsinápticos, la poda sináptica que ocurre en la adolescencia y, finalmente, los cambios de por vida en las sinapsis que se cree para sustentar el aprendizaje y la memoria.

Normalmente, estos procesos del neurodesarrollo se pueden dividir en dos clases: mecanismos independientes de la actividad y mecanismos dependientes de la actividad. En general, se cree que los mecanismos independientes de la actividad ocurren como procesos cableados determinados por programas genéticos que se desarrollan dentro de las neuronas individuales. Estos incluyen diferenciación , migración y guía de axones a sus áreas objetivo iniciales. Se piensa que estos procesos son independientes de la actividad neuronal y la experiencia sensorial. Una vez que los axones alcanzan sus áreas objetivo, entran en juego mecanismos dependientes de la actividad. La actividad neuronal y la experiencia sensorial mediarán la formación de nuevas sinapsis , así como la plasticidad sináptica , que será responsable del refinamiento de los circuitos neuronales nacientes.

Desarrollo del cerebro humano

Diagrama de flujo muy esquemático del desarrollo del cerebro humano.

Visión general

El sistema nervioso central (SNC) se deriva del ectodermo , la capa de tejido más externa del embrión. En la tercera semana del desarrollo embrionario humano, aparece el neuroectodermo y forma la placa neural a lo largo del lado dorsal del embrión. La placa neural es la fuente de la mayoría de neuronas y células gliales del SNC. Se forma un surco a lo largo del eje largo de la placa neural y, en la cuarta semana de desarrollo, la placa neural se envuelve sobre sí misma para dar lugar al tubo neural , que está lleno de líquido cefalorraquídeo (LCR). A medida que el embrión se desarrolla, la parte anterior del tubo neural forma tres vesículas cerebrales primarias , que se convierten en las regiones anatómicas primarias del cerebro: el prosencéfalo ( prosencéfalo ), el mesencéfalo ( mesencéfalo ) y el rombencéfalo ( rombencéfalo ). Estas vesículas tempranas simples se agrandan y se dividen aún más en las cinco vesículas cerebrales secundarias : el telencéfalo (futura corteza cerebral y ganglios basales ), diencéfalo (futuro tálamo e hipotálamo ), mesencéfalo (futuros colículos ), metencéfalo (futura protuberancia y cerebelo ) y mielencéfalo (futura médula ). La cámara central llena de LCR es continua desde el telencéfalo hasta la médula espinal y constituye el sistema ventricular en desarrollo del SNC. Debido a que el tubo neural da lugar al cerebro y la médula espinal, cualquier mutación en esta etapa del desarrollo puede provocar deformidades fatales como anencefalia o discapacidades de por vida como espina bífida . Durante este tiempo, las paredes del tubo neural contienen células madre neurales , que impulsan el crecimiento del cerebro mientras se dividen muchas veces. Poco a poco, algunas de las células dejan de dividirse y se diferencian en neuronas y células gliales , que son los principales componentes celulares del SNC. Las neuronas recién generadas migran a diferentes partes del cerebro en desarrollo para autoorganizarse en diferentes estructuras cerebrales. Una vez que las neuronas han alcanzado sus posiciones regionales, extienden axones y dendritas , lo que les permite comunicarse con otras neuronas a través de sinapsis . La comunicación sináptica entre neuronas conduce al establecimiento de circuitos neuronales funcionales que median el procesamiento sensorial y motor y subyacen en la conducta.

Inducción neural

Durante el desarrollo embrionario temprano , el ectodermo se especifica para dar lugar a la epidermis (piel) y la placa neural. La conversión de ectodermo indiferenciado en neuroectodermo requiere señales del mesodermo . Al inicio de la gastrulación, las presuntas células mesodérmicas se mueven a través del labio blastoporo dorsal y forman una capa entre el endodermo y el ectodermo. Estas células mesodérmicas que migran a lo largo de la línea media dorsal dan lugar a una estructura llamada notocorda . Las células ectodérmicas que cubren la notocorda se convierten en la placa neural en respuesta a una señal difusible producida por la notocorda. El resto del ectodermo da lugar a la epidermis (piel). La capacidad del mesodermo para convertir el ectodermo suprayacente en tejido neural se denomina inducción neural.

La placa neural se pliega hacia afuera durante la tercera semana de gestación para formar el surco neural . Comenzando en la futura región del cuello, los pliegues neurales de este surco se cierran para crear el tubo neural . La formación del tubo neural a partir del ectodermo se llama neurulación . La parte ventral del tubo neural se llama placa basal ; la parte dorsal se llama placa alar . El interior hueco se llama canal neural . Al final de la cuarta semana de gestación, los extremos abiertos del tubo neural, llamados neuroporos, se cierran.

Un labio blastoporo trasplantado puede convertir el ectodermo en tejido neural y se dice que tiene un efecto inductivo. Los inductores neurales son moléculas que pueden inducir la expresión de genes neurales en explantes de ectodermo sin inducir también genes mesodérmicos. La inducción neural a menudo se estudia en embriones de xenopus, ya que tienen un patrón corporal simple y existen buenos marcadores para distinguir entre tejido neural y no neural. Ejemplos de inductores neurales son las moléculas noggin y chordin .

Cuando las células ectodérmicas embrionarias se cultivan a baja densidad en ausencia de células mesodérmicas, se someten a diferenciación neural (expresan genes neurales), lo que sugiere que la diferenciación neural es el destino predeterminado de las células ectodérmicas. En cultivos de explantes (que permiten interacciones directas célula-célula), las mismas células se diferencian en epidermis. Esto se debe a la acción de BMP4 (una proteína de la familia TGF-β ) que induce a los cultivos ectodérmicos a diferenciarse en epidermis. Durante la inducción neural, el mesodermo dorsal (notocorda) produce noggin y chordin y se difunden en el ectodermo suprayacente para inhibir la actividad de BMP4. Esta inhibición de BMP4 hace que las células se diferencien en células neurales. La inhibición de la señalización de TGF-β y BMP (proteína morfogenética ósea) puede inducir eficazmente tejido neural a partir de células madre pluripotentes humanas , un modelo de desarrollo humano temprano.

El cerebro temprano

A finales de la cuarta semana, la parte superior del tubo neural se flexiona al nivel del futuro mesencéfalo: el mesencéfalo . Por encima del mesencéfalo está el prosencéfalo (futuro prosencéfalo) y debajo está el rombencéfalo (futuro rombencéfalo). La vesícula óptica (que eventualmente se convertirá en el nervio óptico, la retina y el iris) se forma en la placa basal del prosencéfalo.

La médula espinal se forma a partir de la parte inferior del tubo neural. La pared del tubo neural está formada por células neuroepiteliales, que se diferencian en neuroblastos, formando la capa del manto (la materia gris). Las fibras nerviosas emergen de estos neuroblastos para formar la capa marginal (la sustancia blanca). La parte ventral de la capa del manto (las placas basales) forma las áreas motoras de la médula espinal, mientras que la parte dorsal (las placas alares) forma las áreas sensoriales. Entre las placas basal y alar hay una capa intermedia que contiene neuronas del sistema nervioso autónomo.

En la quinta semana, la placa alar del prosencéfalo se expande para formar los hemisferios cerebrales (el telencéfalo ). La placa basal se convierte en diencéfalo .

El diencéfalo, el mesencéfalo y el rombencéfalo constituyen el tronco encefálico del embrión. Continúa flexionándose en el mesencéfalo. El rombencéfalo se pliega posteriormente, lo que hace que su placa alar se ensanche y forme el cuarto ventrículo del cerebro. La protuberancia y el cerebelo se forman en la parte superior del rombencéfalo, mientras que el bulbo raquídeo se forma en la parte inferior.

Neuroimagen

La neuroimagen es responsable de grandes avances en la comprensión de cómo se desarrolla el cerebro. EEG y ERP son procesos de obtención de imágenes eficaces que se utilizan principalmente en bebés y niños pequeños, ya que son más suaves. Los bebés generalmente se prueban con fNIRS . La resonancia magnética y la resonancia magnética funcional se utilizan ampliamente para la investigación del cerebro debido a la calidad de las imágenes y al análisis que se pueden realizar a partir de ellas.

Imagen de resonancia magnética

Las resonancias magnéticas son útiles para analizar muchos aspectos del cerebro. La relación de transferencia de magnetización (MTR) mide la integridad mediante magnetización. La anisotropía fraccionada (FA) mide la organización mediante la difusión de moléculas de agua. Además, la difusividad media (DM) mide la fuerza de los tractos de materia blanca .

Imagen de resonancia magnética estructural

Mediante la resonancia magnética estructural, se puede realizar una evaluación cuantitativa de una serie de procesos de desarrollo, incluida la definición de patrones de crecimiento y la caracterización de la secuencia de mielinización. Estos datos complementan la evidencia de los estudios de Diffusion Tensor Imaging (DTI) que se han utilizado ampliamente para investigar el desarrollo de la materia blanca.

Imagen de resonancia magnética funcional

Prueba de fMRI que mentaliza la teoría de la mente activando una red. El surco temporal superior posterior (pSTS) y la unión temporoparietal (TPJ) son útiles para predecir el movimiento. En adultos, el pSTS derecho mostró una respuesta mayor que la misma región en adolescentes cuando se probó sobre la causalidad intencional. Estas regiones también se activaron durante el ejercicio de "mente en los ojos", donde la emoción debe juzgarse en función de diferentes imágenes de los ojos. Otra región clave es la corteza temporal anterior (ATC) en la región posterior. En adultos, el ATC izquierdo mostró mayor respuesta que la misma región en adolescentes cuando se probó en pruebas emocionales de mentalización. Finalmente, la corteza prefrontal medial (MPFC) y la MPFC dorsal anterior (dMPFC) se activan cuando la mente es estimulada por la psicología.

Ecografía tridimensional

Las imágenes de mayor resolución han permitido que la ecografía tridimensional ayude a identificar el desarrollo del cerebro humano durante las etapas embrionarias. Los estudios informan que se forman tres estructuras primarias en la sexta semana de gestación . Estos son el prosencéfalo , el mesencéfalo y el rombencéfalo , también conocidos como prosencéfalo, mesencéfalo y rombencéfalo, respectivamente. Cinco estructuras secundarias de estas en la séptima semana de gestación. Estos son el telencéfalo, diencéfalo, mesencéfalo, metencéfalo y mielencéfalo que más tarde se convierten en los ventrículos laterales, terceros ventrículos, acueducto y partes superior e inferior del cuarto ventrículo desde el telencéfalo hasta el mielencéfalo, durante la edad adulta. Las imágenes de ultrasonido 3D permiten representaciones in vivo del desarrollo cerebral ideal que pueden ayudar a reconocer irregularidades durante la gestación.

Desarrollo de materia blanca

Mediante la resonancia magnética, los estudios mostraron que mientras la materia blanca aumenta desde la niñez (~ 9 años) a la adolescencia (~ 14 años), la materia gris disminuye. Esto se observó principalmente en las cortezas frontal y parietal. Las teorías sobre por qué ocurre esto varían. Un pensamiento es que la mielinización intracortical combinada con un mayor calibre axonal aumenta el volumen de tejido de materia blanca. Otra es que la reorganización sináptica se produce a partir de la proliferación y luego la poda.

Desarrollo de materia gris

El aumento y la disminución del volumen de materia gris en los lóbulos frontal y parietal alcanzaron su punto máximo a los ~ 12 años de edad. El pico de los lóbulos temporales fue de unos 17 años, siendo la corteza temporal superior la última en madurar. Las regiones sensoriales y motoras maduraron primero, después de lo cual se desarrolló el resto de la corteza. Este se caracterizó por la pérdida de materia gris y ocurrió desde la región posterior a la anterior. Esta pérdida de materia gris y aumento de materia blanca puede ocurrir a lo largo de la vida, aunque los cambios más importantes ocurren desde la niñez hasta la adolescencia.

Migración neuronal

La migración neuronal es el método por el cual las neuronas viajan desde su origen o lugar de nacimiento hasta su posición final en el cerebro. Sus medios de migración más comunes son la migración radial y tangencial.

Migración radial

Las células madre neurales proliferan en la zona ventricular del neocórtex en desarrollo . Las primeras células postmitóticas en migrar desde la preplaca que están destinadas a convertirse en células de Cajal-Retzius y neuronas de subplaca . Estas células lo hacen por translocación somal. Las neuronas que migran con este modo de locomoción son bipolares y unen el borde de ataque del proceso a la pia . La soma se transporta a la superficie pial por nucleokenisis, un proceso por el cual un microtúbulos "jaula" alrededor de las alarga núcleo y contratos en asociación con el centrosoma para guiar el núcleo a su destino final. Las fibras radiales (también conocidas como glía radial) pueden trasladarse a la placa cortical y diferenciarse en astrocitos o neuronas . La translocación de Somal puede ocurrir en cualquier momento durante el desarrollo.

Las ondas posteriores de neuronas dividen la preplaca al migrar a lo largo de las fibras gliales radiales para formar la placa cortical. Cada ola de células migratorias viaja más allá de sus predecesoras formando capas de adentro hacia afuera, lo que significa que las neuronas más jóvenes son las más cercanas a la superficie. Se estima que la migración guiada por la glía representa el 80-90% de las neuronas migratorias.

Migración axofílica

Muchas neuronas que migran a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo utilizan los tractos axónicos existentes para migrar en un proceso llamado migración axófila. Un ejemplo de este modo de migración son las neuronas que expresan GnRH , que realizan un largo viaje desde su lugar de nacimiento en la nariz, a través del prosencéfalo y hasta el hipotálamo. Se han resuelto muchos de los mecanismos de esta migración, comenzando con las señales de guía extracelular que desencadenan la señalización intracelular. Estas señales intracelulares, como la señalización del calcio , conducen a la dinámica citoesquelética de actina y microtúbulos, que producen fuerzas celulares que interactúan con el entorno extracelular a través de proteínas de adhesión celular para provocar el movimiento de estas células. La migración neurofílica se refiere a la migración de neuronas a lo largo de un axón que pertenece a un nervio diferente. La migración gliófila es la migración de la glía a lo largo de las fibras gliales.

Migración tangencial

La mayoría de las interneuronas migran tangencialmente a través de múltiples modos de migración para alcanzar su ubicación apropiada en la corteza. Un ejemplo de migración tangencial es el movimiento de las células de Cajal-Retzius dentro de la zona marginal del neuroepitelio cortical.

Otros

También existe un método de migración neuronal llamado migración multipolar . Esto se ve en las células multipolares, que están abundantemente presentes en la zona cortical intermedia . No se parecen a las células que migran por locomoción o translocación somal. En cambio, estas células multipolares expresan marcadores neuronales y extienden múltiples procesos delgados en varias direcciones independientemente de las fibras gliales radiales.

Factores neurotróficos

Los factores neurotróficos son moléculas que promueven y regulan la supervivencia neuronal en el sistema nervioso en desarrollo. Se distinguen de los metabolitos ubicuos necesarios para el mantenimiento y el crecimiento celular por su especificidad; cada factor neurotrófico promueve la supervivencia de solo ciertos tipos de neuronas durante una etapa particular de su desarrollo. Además, se ha argumentado que los factores neurotróficos están involucrados en muchos otros aspectos del desarrollo neuronal que van desde la guía axonal hasta la regulación de la síntesis de neurotransmisores.

Desarrollo neural adulto

El neurodesarrollo en el sistema nervioso adulto incluye mecanismos como remielinización , generación de nuevas neuronas , glía , axones , mielina o sinapsis . La neurorregeneración se diferencia entre el sistema nervioso periférico (SNP) y el sistema nervioso central (SNC) por los mecanismos funcionales y, especialmente, la extensión y la velocidad.

Investigar

Modelado espacio-temporal del desarrollo cerebral

En el desarrollo temprano (antes del nacimiento y durante los primeros meses), el cerebro sufre más cambios de tamaño, forma y estructura que en cualquier otro momento de la vida. Una mejor comprensión del desarrollo cerebral durante este período crítico es importante para mapear el crecimiento normal y para investigar los mecanismos de lesión asociados con factores de riesgo de mal desarrollo, como el nacimiento prematuro. Por lo tanto, existe la necesidad de una cobertura densa de este rango de edad con un atlas dependiente de la edad que varía en el tiempo. Estos atlas espacio-temporales pueden representar con precisión los cambios dinámicos que ocurren durante el desarrollo temprano del cerebro y pueden utilizarse como un espacio de referencia normativo.

Además, se han realizado estudios de expresión génica a gran escala de diferentes regiones del cerebro desde la gestación temprana hasta el envejecimiento. Este tipo de datos proporciona una visión única de los cambios que ocurren en el cerebro durante este largo período. Este enfoque mostró que el 86 por ciento de los genes se expresaban y que el 90 por ciento de estos estaban regulados diferencialmente a nivel de la transcripción completa o del exón a través de las regiones y / o el tiempo del cerebro. La mayoría de estas diferencias espacio-temporales se detectaron antes del nacimiento, con aumentos posteriores en la similitud entre transcriptomas regionales. Además, las diferencias interareales exhiben un patrón de reloj de arena temporal, dividiendo el desarrollo neocortical humano en tres fases principales. Durante la primera fase, en los primeros seis meses después de la concepción, la arquitectura general de las regiones del cerebro está formada en gran parte por un estallido de actividad genética, que es distinta para regiones específicas del neocórtex. A esta prisa le sigue una especie de intermedio que comienza en el tercer trimestre del embarazo. Durante este período, la mayoría de los genes que están activos en regiones específicas del cerebro se silencian, excepto los genes que estimulan las conexiones entre todas las regiones del neocórtex. Luego, al final de la infancia y la adolescencia temprana, la orquesta genética comienza de nuevo y ayuda a dar forma sutil a las regiones del neocórtex que realizan progresivamente tareas más especializadas, un proceso que continúa hasta la edad adulta.

Regiones específicas

La investigación ha podido hacer nuevos descubrimientos para varias partes del cerebro gracias a las imágenes no invasivas disponibles.

  • Corteza prefrontal medial (MPFC)

En esta región, se observa más actividad en los adolescentes que en los adultos cuando se enfrentan a pruebas de tareas de mentalización y de intención comunicativa y personal. Disminución de la actividad desde la adolescencia hasta la edad adulta. En una tarea de mentalización que emplea animación, el dMPFC se estimuló más en los adultos mientras que el MPFC ventral se estimuló más en los niños. Pueden atribuirse al uso de una estrategia objetiva asociada con el dMPFC. Las teorías sobre la disminución de la actividad desde la adolescencia hasta la edad adulta varían. Una teoría es que la estrategia cognitiva se vuelve más automática con la edad y otra es que el cambio funcional ocurre en paralelo al cambio neuroanatómico que se caracteriza por sinaptogénesis y poda.

El MPFC es un ejemplo de una región específica que se ha entendido mejor con las técnicas de imagen actuales. La investigación actual proporciona muchos más hallazgos como este.

Estrés en la vida temprana

El estrés en la vida temprana se define como la exposición a circunstancias durante la infancia que abruman los recursos de afrontamiento del niño y conducen a períodos prolongados de estrés. Los resultados de múltiples estudios indican que los efectos del estrés en la vida temprana en el cerebro en desarrollo son significativos e incluyen, entre otros, los siguientes: aumento del volumen de la amígdala, disminución de la actividad en las estructuras cerebrales frontales corticales y límbicas y estructuras de la materia blanca alteradas.

Se cree que el estrés en la vida temprana produce cambios en el desarrollo del cerebro al interferir con la neurogénesis, la producción sináptica y la poda de sinapsis y receptores. La interferencia con estos procesos podría resultar en un aumento o disminución de los volúmenes de la región del cerebro, lo que podría explicar los hallazgos de que el estrés en la vida temprana está asociado con un aumento del volumen de la amígdala y una disminución del volumen de la corteza cingulada anterior.

De la literatura se han extraído varias conclusiones importantes. Las áreas del cerebro que experimentan un desarrollo posnatal significativo, como las involucradas en la memoria y las emociones, son más vulnerables a los efectos del estrés en la vida temprana. Por ejemplo, el hipocampo continúa desarrollándose después del nacimiento y es una estructura que se ve afectada por el maltrato infantil. El estrés en la vida temprana parece interferir con la sobreproducción de sinapsis que es típica en la infancia, pero no interfiere con la poda sináptica en la adolescencia. Esto da como resultado volúmenes de hipocampo más pequeños, lo que podría explicar la asociación entre el estrés en la vida temprana y la reducción del volumen del hipocampo. Esta reducción de volumen puede estar asociada con los déficits en la regulación de las emociones que se ven en aquellos expuestos al estrés en la vida temprana.

La amígdala es particularmente vulnerable al estrés de la vida temprana. La amígdala también experimenta un desarrollo significativo durante la infancia, se altera estructural y funcionalmente en individuos que han experimentado estrés en la vida temprana y se asocia con las dificultades socioemocionales relacionadas con el estrés en la vida temprana.

El tipo de receptor es otra consideración al determinar si una región del cerebro es sensible a los efectos del estrés en la vida temprana. Las regiones del cerebro con una alta densidad de receptores de glucocorticoides son especialmente vulnerables a los efectos del estrés temprano en la vida, probablemente porque los glucocorticoides se unen a estos receptores durante la exposición al estrés, lo que facilita el desarrollo de respuestas de supervivencia a costa de otras vías neurales importantes. Algunos ejemplos de regiones del cerebro con alta densidad de receptores de glucocorticoides son el hipocampo y el vermis cerebeloso. El estrés activa el eje HPA y da como resultado la producción de glucocorticoides. El aumento de la producción de glucocorticoides da como resultado una mayor activación de estas regiones del cerebro, lo que facilita el desarrollo de ciertas vías neurales a costa de otras.

Las anomalías en la estructura y función del cerebro a menudo se asocian con déficits que pueden persistir durante años después de que se elimina el estrés y pueden ser un factor de riesgo para psicopatología futura. Las regiones del cerebro más sensibles al estrés de la vida temprana son las que experimentan cambios de desarrollo durante la exposición al estrés. Como resultado, el estrés altera la trayectoria de desarrollo de esa región del cerebro, produciendo alteraciones duraderas en la estructura y función.

Los tipos comunes de estrés en la vida temprana que están documentados incluyen el maltrato, la negligencia y la institucionalización previa. También se ha demostrado que vivir en la pobreza influye de manera similar en la función cerebral.

Ver también

enlaces externos

  • Secuencias de lapso de tiempo de migración radial (también conocida como guía glial) y translocación somal.

Referencias