El desarrollo cerebral, neurogénesis, apoptosis y sinaptogénesis

No sé a ustedes pero a mi me parece increíble la forma en que la naturaleza usa la energía y los recursos para crear obras maestras como las flores, las abejas o los cerebros.

Un ejemplo de ello es el desarrollo cerebral, ya que la formación del tejido nervioso comienza con la formación de un simple tubo, el llamado  tubo neural y a partir de la inducción del neuroectoderma (esto es parte del ectodermo que es la capa celular primaria más externa del embrión que origina los sistemas nerviosos central y periférico, incluidas algunas células gliales),  este proceso ocurre en el humano entre la tercera y cuarta semana gestacional y envolverá las más fascinantes funciones que sea posible imaginar.   

Pero, el camino no es simple, ya que una vez formado el tubo neural se produce una diferenciación en tres dimensiones: la primera da lugar a la medula espinal, la segunda va a dar lugar al tallo y tronco cerebral, así como al cerebelo, mientras que la tercera porción desarrollará los hemisferios cerebrales. 

 A esta etapa se le llama proencefálica proceso que se produce entre la quinta y décima semana gestacional y durante el cual se desarrolla una activa neurogénesis (desarrollo de neuronas) a partir de células precursoras neuronales, que tienen una característica especial y es que no maduran y no proliferan, pues habrá que esperar el siguiente momento para tal diferenciación (Poch, 2001).

Entre la octava y décimo octava semana gestacional, se produce una activa proliferación neuronal, las células precursoras comienzan a diferenciarse para producir nuevas células precursoras y células neuronales que se diferencian a neuronas propiamente tales y a células gliales (astrocitos y oligodendrocitos).

 La velocidad de proliferación en este período que ocurre entre el 2º y 4º mes de vida intrauterina es impresionante ya que se forman alrededor de 200.000 neuronas por minuto, tan rápido como cualquier pensamiento dominguero, a esta proliferación celular, se le conoce como neurogénesis, este proceso ocurre poco a poco, y después de pasar por varios ciclos de división celular, esta se detiene, ya que se sabe que todo en exceso es malo.

 Aun cuando se desconoce lo que pone en marcha y posteriormente detiene al mecanismo de proliferación en cualquier región, es claro que los periodos están rígidamente determinados,  aunque que se sabe que depende de factores neuronales específicos de la región del cerebro donde ocurre y de las funciones que ejercerá, por lo que entre  3º y 5º mes ocurre la migración de las neuronas, guiadas por procesos gliales en base a señales químicas y por  factores de crecimiento neural, mediados por genes reguladores que determinan la actividad de otros genes en una secuencia definida y por lapsos precisos y en regiones específicamente determinadas.

Lo que ya se ha podido observar es que las células diferenciadas comienzan a emigrar desde las zonas ventriculares (centrales) hacia las zonas más periféricas del cerebro en formación (neocorteza). 

Esto es, las que comienzan primero ocupan las capas más profundas de las capas de la corteza, mientras que las que comienzan más tardíamente, ocupan las capas más superficiales.

Esta migración radial de las neuronas hacia la periferia, utiliza las células gliales como guía ya que estas forman un andamiaje que facilita el movimiento de las neuronas. La emigración neuronal se produce en dos regiones principalmente, en el tálamo e hipotálamo, donde  las neuronas más antiguas son empujadas por las neuronas más nuevas, por lo cual las primeras se ubicarán en la periferia. 

En cambio, en las regiones del cerebro de estructura laminar, como es el caso de la corteza y el cerebelo, las neuronas mas jóvenes emigran traspasando a las más antiguas, con lo cual estas últimas van a quedar mas cerca del neuroepitelio y las mas jóvenes en la periferia. 

El proceso de migración neuronal ocurre entre la décimo segunda y la vigésimo cuarta semana gestacional, pero  cabe mencionar que no todas las células sobreviven ya que durante la neurogénesis y la emigración neuronal aproximadamente un 50% de las neuronas sufren apoptosis, esto quiere decir que mueren en forma programada, probablemente porque no siguen el curso de emigración correcto y/o porque no reciben los estímulos adecuados del resto de las redes que se van creando, pero la respuesta correcta aún es un misterio. 

Una cierta proporción de las neuronas que sobreviven (20%) emigra horizontalmente y una vez finalizada la emigración radial, para permitir la formación de la laminación (segmentación) cortical, es así que las neuronas buscan su camino, motivadas por estímulos químicos (los factores neurotróficos), prolongando su estructura en uno de sus extremos, lo que origina los llamados conos de crecimiento axonal.

 En forma simultánea a la migración neuronal se produce la  sinaptogénesis (formación de sinapsis), aunque esta es muchísimo más intensa entre la duodécima y la duodécimo cuarta semana gestacional, pero persiste en forma muy activa hasta el octavo o noveno mes post natal  (Avaria, 2005; Sanhueza, Nieto y  Valenzuela, 2004,  Sagan, 2003; Poch, 2001).

Es interesante destacar que la sinaptogénesis pre natal está determinada principalmente por el patrimonio genético del individuo. Sin embargo, en la etapa post natal la sinaptogénesis también es afectada por las experiencias sensoriales, particularmente por el proceso de aprendizaje y la estimulación del ambiente. 

La neurogénesis y las etapas posteriores asociadas a este proceso morfogénico conducen a la formación de aproximadamente 100 mil millones de neuronas en un cerebro adulto y a varios trillones de sinapsis. Esto implica que un número importante de los 30.000 genes que poseemos deben estar involucrados en este complejo proceso, expresándose coordinadamente en forma simultánea y/o secuencial. 

Sin embargo, aún no se ha logrado comprender este prodigioso proceso, ya que una región que posee 20.000 genes, solo forma 302 neuronas y el tejido nervioso que forman dista mucho de tener la funcionalidad del cerebro humano (Sanhueza, Nieto, y Valenzuela, 2004). 

Es así que como consecuencia de la expresión diferencial  de los genes en el curso del tiempo, y en las diferentes células de las distintas estructuras embrionarias, que se da el proceso de desarrollo, pero este depende de mucho  más que de una secuencia de bases del genoma y de la historia y composición del genoma de los progenitores. 

Si bien el genoma confiere la especificidad  y la individualidad a ese nuevo organismo, su expresión depende no solo de bases de ADN, sino también del entorno proteínico y ambiental  en el que se encuentra  (Vásquez  Laslop y Velázquez Arellano, 2004).

Una vez que termina de desarrollo intrauterino, cuando nace un nuevo ser humano, si bien es cierto que  las células neuronales están ahí, dispuestas a conectarse unas con otras, tendrán que pasar entre 2 y 3 años antes de que logren hacerlo de manera lógica, pues las relaciones entre ellas dependen de las necesidades del entorno. 

Cuando nacen, los cerebros de los recién nacidos funcionan pero son muy inmaduros, en parte por que el cerebro necesita mucha flexibilidad para adaptarse al ambiente. Esto les impide realizar funciones que otros mamíferos logran en pocos días o semanas después del nacimiento, por ejemplo, los bebés humanos requieren de mucho esfuerzo para fijar la mirada, o el control el tronco para sentarse. Sin embargo, nacen equipados con reflejos que les permitirán la adaptación al nuevo entorno, como  el reflejo  de succión, que le dará el alimento que requiere para ayudar a su desarrollo, aunque existen otros como el parpadeo y el llanto que le brindarán la oportunidad de tener contacto con los cuidadores (Quintero Gallego, Manaut, Rodriguez, Pérez – Santamaría y Gómez, 2003).

El número de células generadas en el cerebro fetal es entre un 30 y un 70% superior al número de neuronas del adulto. Las células sobrantes sobreviven por un período de días a semanas, tras lo cual, en forma espontánea, se inicia una cascada de cambios degenerativos y un proceso fisiológico de muerte celular programada.  En la imagen, es posible observar las diferencias entre el nacimiento y los dos años de desarrollo, aunque parece que hay mayor maraña neuronal, en realidad lo que se encuentran son menos neuronas con mayor cantidad de redes neuronales, conexiones entre neuronas, es decir comunicación interneuronal, con lo cuál se permite una red más firme que procure habilidades más específicas. 

En este sentido, se ha encontrado que la eliminación selectiva de las conexiones sinápticas, es un proceso fundamental en el desarrollo cognitivo del niño, ya que se ha observado relación entre los cambios de la sustancia gris del lóbulo frontal y la evolución en la realización de tareas cognitivas (Capilla, Romero, Maestu, Campo, Fernández, González Márques, Fernández y Ortiz, 2004; Hubel y Wiesel, 1970). 

En este punto, lo importante es comenzar la carrera para conectar a las neuronas.  Si bien la poda neuronal será inevitable, ya que este es un proceso de ley del más fuerte, bajo el principio Darwiniano de que todo aquello que no se emplea se desecha, las neuronas que no logren crean metas a mediano plazo que posibiliten la adaptación, se irán destruyendo, lo importante para el cerebro es lograr  los proceso críticos que permitan a esa nueva criatura abrirse paso en el mundo. Los proceso críticos serán escuchar, ver (para posteriormente hacer discriminaciones del ambiente y de la información)  levantarse, poco a poco hasta controlar su propio peso (alrededor del año de nacido),  reconocer el lenguaje natural (materno) para posteriormente emplearlo para comunicarse y finalmente caminar. 

Hay quienes dicen que los primeros dos años son los más importantes para la enseñanza de los niños, y hay quienes insisten en que las matemáticas, la música o los idiomas extranjeros son importantes para este periodo crítico del desarrollo, sin embargo, no hay evidencia de que esto sea vital para el proceso de desarrollo cognitivo, pues perfectamente se pueden aprender después de que los proceso más importantes se desarrollan. 

Lo que se logra con esto es proceso de organización cerebral,  el cual se inicia a los seis meses de gestación y se prolonga durante toda la vida.  Aunque los ritmos varían, así, como ya se ha mencionado, durante el último trimestre de gestación y los primeros dos años de vida, el ritmo de organización es acelerado, luego se hace menos rápido hasta los 10 años de vida aproximadamente, para proseguir de forma pausada durante el resto de la vida. 

Durante la fase de aceleración, se produce un gran aumento de prolongaciones dendríticas y sus pequeñas ramificaciones, lo que se ha llamado arborización dendrítica, que forman numerosas sinapsis, de modo tal que todas las células y sus prolongaciones se disponen en capas y se orientan, al mismo tiempo que se produce la muerte celular programada y la diferenciación y especialización neuronal, todo esto dependiendo de las interacciones con el medio ambiente y de factores genéticos. 

Así se encuentran crestas de las ramificaciones neuronales, los picos de densidad se presentan en diferentes edades pero también en distintas zonas cerebrales. De este modo se observa un rápido y denso desarrollo  tanto en la corteza visual y la auditiva entre los 3 y 4 meses postnatales y la máxima densidad, alrededor del año de vida. Por el contrario, el crecimiento de la zona prefrontal se presenta a la misma edad, pero el pico máximo se alcanza hasta después del primer año de vida. 

Las únicas excepciones son las células granuladas del bulbo olfatorio, el cerebelo y el hipocampo, que continúan su génesis después del nacimiento y continúan por toda la vida  (León Carreón, 2003). 

Sin embargo, existe también una fase regresiva, en la cual se presenta una perdida selectiva de sinapsis, ésta se produce tras los periodos de gran intensidad. Del mismo modo que los crestas de formación sinápticas, el tiempo de reducción varia entre las distintas regiones, por ejemplo, la densidad sináptica de la corteza visual, disminuye entre los 2 y 4 años, mientras que los de la corteza prefrontal, ocurre entre los 10 y 20 años de edad aproximadamente (Poch, 2001, Sagan, 2003).

Estos periodos coinciden con las etapas de desarrollo cognitivo explicadas ampliamente por Jean Piaget, si se equiparan las fases de desarrollo cerebral, ya sea de arborización dendrítica o de desarrollo de la materia gris,  coinciden con los periodos marcados para el progreso cognitivo. Desde ambas posturas, el ambiente jugará un papel protagónico, pero en el caso del desarrollo cerebral se sumarán, infecciones intrauterinas, patologías cromosómicas o déficit nutricionales que pueden afectar directamente el desarrollo dentro del útero materno.

Cerebralmente, la mielinización, (la cual es un recubrimiento de las conexiones neuronales por una membrana especializada que permite una adecuada transmisión de los impulsos nerviosos), es fundamentalmente un proceso post natal, que ocurre en ciclos, con una secuencia ordenada predeterminada que contribuye en gran medida a mejorar la funcionalidad del cerebro ya que produce un incremento en la velocidad de conducción de los impulsos nerviosos. 

En este sentido se ha encontrado que hay un incremento de la sustancia blanca a lo largo de la niñez, lo que probablemente refleja el aumento de la mielinización (Quintero Gallego, Manaut, Rodriguez, Pérez – Santamaría y Gómez, 2003; Capilla, Romero, Maestu, Campo, Fernández, González Márquez, Fernández y Ortiz, 2004; Avaria, 2005).

Sin embargo, este proceso, al igual que los proceso madurativos, se presentan en distintos momentos, en particular se ha comprobado que las áreas de proyección, maduran antes que las asociativas, por lo que las últimas en adquirir una apariencia mielinizada  son los lóbulos frontal parietal y occipital  (Quintero Gallego, Manaut, Rodriguez, Pérez – Santamaría y Gómez, 2003; Capilla, Romero, Maestu, Campo, Fernández, González Márques, Fernández y Ortiz, 2004; Avaria, 2005).

Referencias:

Avaria, M. A. (2005)  Aspectos biológicos del desarrollo psicomotor.  Revista de Pediatría. Electrónica. 2 (1). Disponible en red: http://www.revistapediatria.cl/vol2num1/pdf/6_dsm.pdf

Capilla, A.,  Romero, D.,  Maestu, F., Campo, P., Fernández, S., González Márques, J., Fernández, A. y Ortiz, T. (2004) Emergencia y desarrollo cerebral de las funciones ejecutivas. Acta. Esp. Psiquiatr. 32 (2) 377 – 386.

Hubel D., Wiesel T. (1970) The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens. J Physiol. 30 (4) 206- 212.

León Carrión, J. (2003) Células madre, genética y neuropsicología. Revista Española de Neuropsicología. 5 (1) 1-13. 

Poch, M.L. (2001) Neurobiología del desarrollo temprano. Contextos educativos. 4. 79-94.

Quintero Gallego, E., Manaut, E. , Rodriguez, E., Pérez – Santamaría, J.,  y Gómez, C. (2003) Desarrollo diferencial del cuerpo calloso en relación con el hemisferio cerebral. Revista Española de Neuropsicología. 5 (1) 49-64.

Sanhueza, J., Nieto, S. y Valenzuela, A.  (2004)  Acido docosahexaenoico (dha), desarrollo cerebral, memoria y aprendizaje: la importancia de la suplementación perinatal. Rev Chilena Nutrición. 31 (2) Disponible en: http://dx.doi.org/10.4067/S0717-75182004000200002  

Sagan, C. (2003) Los dragones del Edén: especulaciones sobre la evolución de la inteligencia humana. Barcelona. Crítica.

Stromswold, K. (1995) The cognitive and neural bases of language acquisition: The cognitive neurosciences. Cambridge, MA: MIT Press.

Vásquez  Laslop, M. y Velázquez Arellano, A. (2004) Genómica y el desarrollo de un nuevo individuo. En A. Velazquez (2004) Lo que somos y el genoma humano: des-velando nuestra identidad. Ediciones científicas universitarias. UNAM. FCE.