Potenciación a largo plazo
La comunicación neuronal y su modulación no sólo afecta las funciones fisiológicas básicas como son los sistemas vegetativos, sino también funciones psicológicas superiores como el aprendizaje y la memoria. Esto es debido a que el sistema nervioso puede modificar continuamente su estructura y su dinámica para adaptarse a las necesidades del medio ambiente. La sinapsis no es un proceso rígido sino que pueden variar a causa de los patrones de actividad del organismo. En muchas sinapsis una actividad repetitiva puede conducir no sólo a una alteración de corto plazo, sino a modificaciones que pueden durar horas, días, e incluso volverse permanente. Los dos fenómenos asociados a estos cambios son conocidos como potenciación a largo plazo (PLP) y depreciación a largo plazo (DLP). Al parecer la PLP es debido a un incremento en la concentración de calcio tanto en la célula postsináptica como en le postsináptica, en esta última el incremento en la concentración de Ca2+ conlleva una modificación en el sistema de segundos mensajeros lo cual genera receptores adicionales en la membrana dendrítica con el consecuente incremento de sensibilidad al neurotransmisor que cruza la hendidura sináptica.
La DLP, por otra parte, parece presentarse en respuesta a un incremento más pequeño de calcio en la célula postsináptica lo cual es acompañado por un sensibilidad menor en los receptores de la membrana. Ciertas formas de PLP y DLP involucran a los mecanismo presinápticos. Estas modificaciones en los esquemas de señalización química de las células nerviosas son lo que se denomina plasticidad sináptica u ha sido objeto del interés de gran número de investigaciones.
Tanto la PLP como la DLP han sido postulados como los substratos del aprendizaje y la memoria. Ciertamente la actividad repetitiva en el SNC puede producir cambios en la eficacia sináptica mucho más prolongados que aquellos que se ven en el sistema periférico. Tales cambios se presentan en un gran número de zonas del cerebro. La PLP fue descrito por primera vez al inicio de la década de los 70's cuando los investigadores Bliss y Lomo la observaron en las sinapsis glutamaérgicas dentro de la formación del hipocampo (Bliss y Lomo, 1973). Esta estructura localizada en el lóbulo temporal consiste en dos secciones conocidas como hipocampo y giro dentado. Bliss y Lomo demostraron que la estimulación de alta frecuencia en células del giro dentado produce un subsecuente incremento en la amplitud de sus potenciales de acción excitatorios que se prolongaba incluso por días. A este fenómeno se le conoce como PLP homosináptico pues corresponde a las mismas células estimuladas.
Aunque la PLP ha sido registrado en otras regiones, incluyendo zonas neocorticales, este proceso ha sido estudiado más extensamente en tejidos del hipocampo con técnicas in vitro. En 1983, Barrionuevo y Brown revelaron que la actividad repetitiva en una terminal dendrítica de una neurona podría afectar la sensibilidad receptora de otra terminal de la misma neurona que no ha sido activada, a esto se le conoce como PLP asociativo y sugiere que los mecanismos metabólicos involucrados la PLP son realizados —por lo menos parcialmente—, en el soma neuronal. Actualmente no poseemos los datos necesarios que nos permitan perfilar una imagen clara del proceso que subyace al fenómeno de la PLP, los neurobiólogos aún colocan las piezas de un rompecabezas entre cuyos componentes se encuentran los factores de crecimiento, la co-transmisión sináptica, los receptores de tirosina, mecanismos de recaptura, cambios enzimáticos y la estimulación eléctrica. No obstante, existe un consenso general de que un factor central es la activación de transcriptores cuya acción resultante es el incremento en la concentración de Ca2+ al interior de la célula postsináptica. En las células piramidales del hipocampo se registró una entrada de calcio a través de los receptores tipo NMDA (N-metil-D-aspartato) que posee como ligando natural al neurotransmisor glutamato. El NMDA es una proteína transmembranal con propiedades particulares, que le permiten intervenir activamente en la modificación sináptica. El receptor tipo NMDA posee la inusual característica de permanecer bloqueado cuando la membrana se encuentra bajo el potencial de reposo. El bloqueo es debido a la ocupación de los canales por parte de iones de magnesio provenientes del medio extracelular, dichos iones son removidos de los canales al presentarse una despolarización de la membrana provocando que los canales "tomen" el glutamato proveniente del botón axónico de la neurona presináptica.
Los receptores de este tipo poseen una alta conductividad de calcio pero el acceso de Ca2+ es dependiente de la despolarización de la membrana, la estimulación debe ser los suficientemente fuerte y sostenida como para remover a los iones de magnesio. Así, en algunos experimentos no se logra la presencia de la PLP aún cuando se presente una estimulación repetitiva debido a que la estimulación no fue lo suficientemente larga, por lo cual no se logra el desbloqueo de los canales NMDA, ello impide que el calcio acceda al interior de la célula. Pero si la estimulación es suficiente, el receptor NMDA abre canales iónicos que activan un segundo mensajero, el cual a su vez abre canales por los cuales ingresan a la célula iones de sodio y calcio. El calcio activa diversos péptidos endógenos como la proteína cinasa calcio/calmodulina dependiente II (CaMKII) y cinasas dependientes de tirosina. El resultado final, es la fosforilación de otras proteínas, algunas de las cuales son translocadas al núcleo donde estimulan la actividad de varios factores de transcripción, entre ellos el CREB (cyclic AMP Response Element Binding Protein) (Dudai, 1989). De este modo son activados determinados genes, los cuales codifican proteínas destinadas a modificar (en forma transitoria o permanente), la constitución de la célula.
Figura 1. Mecanismo responsables de la potenciación a largo plazo. Bajo ciertos estímulos los receptores NMDA son activados. Esto permite la entrada de calcio el cual actúa como segundo mensajero y activa diversas cinasas intracelulares desencadenando la fosforilación de proteínas que activan genes encargados de sintetizar péptidos. El resultado es una modificación de Ca2+ en la neurona que facilita o inhibe el posible potencial de acción. Dos grupos de evidencias apoyan la suposición de que el incremento de calcio en la célula postsináptica está relacionado con la aparición de PLP. Primero, ha sido demostrado que el calcio intracelular se incrementa en proporción a la estimulación y que cuando dicho incremento se impide a través de bloqueadores, el PLP no se presenta. Segundo, la elevación de calcio en la célula postsináptica por medios químicos (evitando la estimulación de alta frecuencia) produce un aumento en la amplitud en el potencial de excitación postsináptico (PEP). De este modo el origen del calcio parece ser irrelevante para la aparición del PLP, no importando si se trata de calcio del exterior o liberado al citoplasma por elementos internos de almacenamiento.
No obstante estos eventos no agotan el fenómeno del PLP, desde el descubrimiento del PLP ha existido una polémica acerca de si este es causado por una elevación en la cantidad del neurotransmisor liberado o de una mayor sensibilidad de los canales receptores de la membrana postsináptica. Sin duda una de las formas más sencillas y claras de explicar el fenómeno del PLP es señalando un incremento en la cantidad de neurotransmisor que se libera y en efecto se ha observado una mayor cantidad, a veces derivado de un mayor tamaño en los quanta de las vesículas y otras veces por la cantidad de quanta liberados. Esto sugiere la existencia de al menos dos formas de PLP donde ambas células están involucradas, pero ¿cómo una modificación de la membrana postsináptica puede elevar la cantidad de quanta involucrados en la sinapsis?.
Si se piensa en la membrana postsináptica como un elemento estático la única explicación es la elevación en el número de quanta que participan en el proceso, pero las investigaciones muestran que en muchos PLP el numero y cantidad de quanta presentes se mantiene constante. La explicación proviene en la capacidad de la membrana postsináptica para modificar el tipo de receptores con los que cuenta. En algunas espinas dendríticas no existen receptores para ciertos neurotransmisores lo que hace que se presente una sinapsis silenciosa, llamada así porque al neurotransmisor no hay nadie "que lo escuche", por supuesto en las sinapsis silenciosas no se produce respuesta en la zona postsináptica.
Shi et al.(1999) ha encontrado que estas sinápsis silenciosas pueden dejar de serlo después de una estimulación frecuente colocando receptores que capten al neurotransmisor. No sólo las sinapsis silenciosas se modifican, en algunas membranas postsinápticas donde conviven dos o más tipos de receptores, el receptor encargado de recibir al neurotransmisor estimulado puede incrementar su número de receptores desplazando al otro tipo de receptor. Esto explica como es que el mismo número de quanta liberado por las vesículas presinápticas altera la fuerza de la respuesta en la célula postsináptica.
Plasticidad Homosináptica
A nivel celular la plasticidad es una modificación de la neurona debida a las características de los potenciales de acción que se presentan en ella. La modificación en la neurona sólo se presentan ante un tren de estímulos, es decir, a una número de potenciales de acción que recorren la célula en cierto lapso de tiempo. Si un tren de estímulos invade una terminal la cantidad de neurotransmisor liberado en cada potencial de acción no siempre permanece constante. Dependiendo de la neurona observada y de las propiedades del tren de estímulos se puede observar un progresivo incremento o decremento en la cantidad de neurotransmisor que se libera. Esta propiedad, la cual permite que la cantidad de neurotransmisor se modifique como resultado de una actividad previa en la terminal ha si llamada plasticidad homosináptica. Este tipo de plasticidad puede ser de tres tipos: facilitación, potenciación y depresión. La facilitación es el incremento progresivo en la cantidad de neurotransmisor liberado durante un tren de estímulos. Una hipótesis para explicar la facilitación señala que este incremento se debe al calcio residual que permanece en el citoplasma luego de invadir a la neurona en cada potencial de acción. Este calcio residual no tiene el tiempo suficiente para ser removido, quedando siempre una pequeña cantidad que aumenta a medida que los potenciales del tren de estímulos recorren la célula. La potenciación es el incremento en la cantidad de neurotransmisor liberado después de que en la terminal se ha presentado un tren de estímulos. En muchos caso se observa que la potenciación no desaparece luego de varios minutos de haberse estimulado la terminal. Si este es el caso se dice entonces que se trata de una potenciación post-tetánica (PPT), debido a que este tipo de estimulación también se le conoce como estimulación tetánica. La PPT se explica por la función de las mitocondrias en la terminal. Además de proveer la energía necesaria para las funciones celulares, la mitocondria desempeña un importante papel en la homeostasis de calcio funcionando como una “esponja” que absorbe y libera calcio. Durante el tren de estímulo el calcio que invade la célula alcanza el citoplasma donde es “absorbido” y almacenado en la matrix de las mitocondria. Durante los minutos subsecuentes, las mitocondrias liberan el calcio el cual se añade al de los potenciales de acción aislados, produciéndose así una mayor liberación de neurotransmisor. La PPT no debe confundirse con la potenciación a largo plazo (PLP), la cual dura más tiempo después del tren de estímulos, y al parecer, tiene como base mecanismos moleculares muy diferentes a la PPT. La PLP, como veremos en contexto más adelante, ha sido postulada como el mecanismo base para la memoria y el aprendizaje.
Por último, la depresión sináptica se refiere al progresivo decremento en la cantidad de neurotransmisor liberado durante un tren de potenciales de acción. Este fenómeno es observado con frecuencia después de un largo e intenso tren de estímulos y muchas veces se debe a la depleción de las vesículas del repositorio liberable de la neurona. A la proporción de vesículas que son liberadas por un solo potencial de acción en condiciones normales se le conoce como probabilidad de liberación y varía enormemente a lo largo del sistema nervioso. Existe una clara relación entre la probabilidad de liberación y la presencia de depresión sináptica. Las terminales con una alta probabilidad de liberación tienden a sufrir depresión luego de una estimulación tetánica mientras que las terminales con baja probabilidad de liberación presentan, ante la misma estimulación, facilitación y PPT.
Potenciación asociativa
Al producirse estimulaciones frecuentes en las células nerviosas éstas pueden ser causa de modificaciones en el funcionamiento y anatomía de neuronas específicas. Supongamos que poseemos una neurona del músculo de la rana en la que se está registrando el potencial de membrana con un electrodo intracelular. Sobre esta neurona actúan tres sinapsis excitadoras. Al activarlas por separado, podemos observar que las tres sinapsis producen una despolarización de la membrana (potencial postsináptico excitatorio), pero que ninguna de ellas es lo bastante potente para producir por si sola un potencial de acción en la neurona postsináptica. Si ahora estimulásemos dos sinapsis, por ejemplo la 1 y la 2, rápidamente una detrás de la otra. En este caso, los potenciales postsinápticos sufren una suma espacial que sí produce el potencial de acción. A continuación estimulemos cada una de las sinapsis por separado. Como podemos comprobar, ahora cada una de las sinapsis 1 y 2 pueden producir un potencial de acción por sí solas. Estas dos sinapsis que se han activado coincidiendo con un potencial de acción se han potenciado, y ahora producen una despolarización mayor que en este caso sí llega al umbral necesario para activar los receptores postsinápticos. Observemos que la sinapsis 3 -que no ha sido activada en coincidencia con los potenciales de acción anteriores - no ha sufrido potenciación. Estos significa que la potenciación es específica para las sinapsis que estaban activas simultáneamente al producirse el potencial de acción. Este tipo de potenciación a largo plazo se denomina potenciación asociativa, porque precisa de la asociación entre la activación de la terminación presináptica y de la neurona postsináptica (existe otro tipo de potenciación a largo plazo que no es asociativa y no requiere esta coincidencia). La potenciación asociativa también se denomina potenciación de tipo hebbiano, en honor al doctor D.O. Hebb que en 1949 predijo la existencia de este fenómeno y propuso que podría ser el mecanismo subyacente en el aprendizaje y la memoria. La potenciación a largo plazo asociativa o hebbiana puede tener distintos mecanismos en distintas especies o en distintos tipos de neuronas, y podría explicar muchas clases de aprendizaje y memoria. Por ejemplo, puede explicar el fenómeno del condicionamiento clásico.
Condicionamiento clásico
Una forma sencilla de aprendizaje es el condicionamiento clásico o Pavloviano. Como demostró el psicólogo Ivan Pavlov a finales del siglo XIX, si se presentaba comida a un perro y al tiempo se hacía sonar una campanilla, el animal terminaba reaccionando al sonido sólo igual que reaccionaría a la vista de la comida. Esta forma de aprendizaje se produce de forma parecida en casi todos los animales, incluso en algunos muy elementales.
La Aplysia californica es un gasterópodo marino que tiene un sistema nervioso muy sencillo, y que se ha utilizado mucho para el estudio de la función neuronal. En este animal, si se aplica un estimulo nociceptivo potente, como un pinchazo o un choque eléctrico en la cola, lo cual resulta en una retracción de las branquias. Este es un reflejo defensivo, que tiende a proteger a este animal de un posible daño. En cambio, un estímulo táctil ligero en el sifón no produce esta retracción. Pero si se aplica de forma repetida un estímulo sobre el sifón al mismo tiempo que se produce un estímulo nociceptivo, llega un momento en que sólo un estímulo táctil ligero produce la retracción de las branquias. Este es un reflejo condicionado clásico, semejante al que describió Pavlov en los perros.
El estímulo aversivo en la cola activa neuronas sensoriales que hacen sinapsis y activan a las motoneuronas que controlan la retracción de las branquias. Las neuronas que recogen la sensibilidad del sifón producen una despolarización que no alcanza el umbral de las motoneuronas, lo cual resulta en que no se llega a producir la activación. Pero si se estimula primero el sifón, y a continuación rápidamente se aplica el estímulo aversivo en la cola, la sinapsis entre la neurona del sifón y la motoneurona sufre potenciación, y en lo sucesivo la estimulación del sifón, por si sola, produce la retracción de las branquias (en un experimento real, esta asociación tiene que repetirse muchas veces para que se produzca el condicionamiento). Las teorías de Pavlov sobre el condicionamiento ejercieron una poderosa influencia sobre la psicología experimental de principios del siglo XX pues establecían, —en apariencia— las bases para una investigación objetiva. Esta influencia tuvo como resultado el sólido establecimiento del paradigma estímulo-respuesta (E-R) que dominó la visión de los psicólogos por casi todo el siglo. Es difícil imaginar una herramienta más inadecuada que el paradigma E-R cuando deseamos explicar fenómenos psicológicos como la abstracción contextual o las modificaciones intelectuales que se llevan a cabo en un niño de doce años.
