La sinaptogénesis es el proceso de formación de sinapsis entre las neuronas del sistema nervioso . La sinaptogénesis ocurre a lo largo de la vida de una persona sana, y la rápida formación de sinapsis se observa en las primeras etapas del desarrollo del cerebro [1] . La sinaptogénesis es especialmente importante durante el período crítico del desarrollo individual (en biología del desarrollo, el período en el que el sistema nervioso es particularmente sensible a los estímulos exógenos), cuando hay un intenso flujo de poda sináptica debido a la competencia de las neuronas y sus sinapsis por las neuronas. factores de crecimiento Las sinapsis que no participan o participan débilmente en el procesamiento de la información, así como los procesos neuronales no utilizados o infrautilizados, no recibirán un desarrollo adecuado y serán eliminados en el futuro [2] .
La unión neuromuscular (NJC) es la mejor estudiada de todos los tipos de sinapsis, es una estructura simple y accesible para la manipulación y la observación. Esta sinapsis en sí consta de tres células: una neurona motora , un miocito y una célula de Schwann (neurolemocito). En una sinapsis que funciona normalmente, una señal de una neurona motora provoca la despolarización de la membrana del miocito, lo que ocurre a través del neurotransmisor acetilcolina . El axón de la neurona motora libera acetilcolina en la hendidura sináptica, donde alcanza los receptores colinérgicos en el sarcolema , la membrana del miocito. La unión de la acetilcolina a los receptores conduce a la apertura de los canales iónicos , la despolarización de la membrana y la subsiguiente cascada de reacciones químicas que dan como resultado la contracción muscular. En el exterior, la sinapsis está encapsulada y aislada por la vaina de mielina de la célula de Schwann [3] . Otro elemento importante del sistema nervioso central y periférico son los astrocitos . Aunque inicialmente se creía que su función era solo estructural, ahora se sabe que juegan un papel importante en la plasticidad funcional de las sinapsis [4] .
Durante el desarrollo, cada uno de los tres tipos de células mencionados anteriormente surge de diferentes regiones del embrión en desarrollo . Los mioblastos individuales se desarrollan a partir del mesodermo y se unen para formar una fibra muscular polienergética (multinuclear). Durante o poco después de la formación de la fibra, las neuronas motoras del tubo neural comienzan a establecer sus primeros contactos con ella. Las células de Schwann surgen de la cresta neural y viajan junto con los axones hasta su destino. Al llegar a la fibra muscular, forman una cubierta amielínica suelta de los axones que inervan los músculos. El movimiento de los axones (y, por lo tanto, de las células de Schwann) está controlado por el cono de crecimiento, una proyección filamentosa del axón que se dirige activamente a las neurotrofinas liberadas por la fibra muscular.
El estudio de los patrones de formación y distribución de las sinapsis neuromusculares muestra que una parte importante de las conexiones se localiza en el punto medio de la fibra muscular. Si bien puede parecer que los axones se dirigen inicialmente a este lugar, varios factores sugieren lo contrario. Aparentemente, después del contacto inicial con el axón, la fibra joven continúa creciendo simétricamente desde el punto de inervación. Combinado con el hecho de que la alta densidad de receptores colinérgicos es el resultado del contacto con el axón, y no su causa, los patrones de formación de fibras musculares pueden estar asociados tanto con el crecimiento miopático individual como con la inervación axonal de la fibra.
La transducción de señales a lo largo del contacto primario entre la neurona motora y la fibra muscular comienza casi de inmediato, pero el impulso transmitido es muy débil. Existe evidencia de que las células de Schwann, con la ayuda de pequeñas moléculas de señalización, pueden amplificar los impulsos aumentando la intensidad de la liberación espontánea de neurotransmisores [5] . Después de aproximadamente una semana, la neurona motora y la fibra muscular pasan por un proceso de diferenciación, que completa la formación de una sinapsis completamente funcional. La inervación del axón original es crítica porque los axones que le siguen tienen una alta propensión a formar contactos con una sinapsis estabilizada ya establecida.
El cambio más notable en la fibra muscular que ocurre después del contacto con una neurona motora es una mayor concentración de receptores colinérgicos en la membrana plasmática en el punto de contacto entre la neurona y el miocito. Este aumento en la cantidad de receptores permite una transmisión más eficiente de las señales sinápticas, lo que a su vez conduce a la formación de una sinapsis más desarrollada. La densidad de receptores es >10.000/µm 2 en el centro y aproximadamente 10/µm 2 en la periferia. Esta alta concentración de receptores colinérgicos en la sinapsis se logra a través de su agrupación, la regulación al alza de la expresión de los genes correspondientes en los núcleos de las células postsinápticas y la regulación a la baja de la expresión de estos genes en los núcleos de las células presinápticas. Las señales que inician la diferenciación postsináptica pueden ser neurotransmisores liberados directamente desde el axón a la fibra muscular, o pueden ocurrir externamente, ingresando a la hendidura sináptica desde el exterior [6] .
AgrupamientoEl agrupamiento en la membrana postsináptica ocurre en gran parte debido al proteoglucano Agrin, que es excretado por el axón de la neurona motora y promueve la multimerización del receptor. Agrin se une al receptor de la cinasa específica del músculo (MuSK) en la membrana postsináptica y esto, a su vez, conduce a la activación posterior de la proteína citoplasmática Rapsyn. Es la rapsina la que contiene dominios que le permiten agrupar muchos receptores colinérgicos en la membrana: las células musculares de los ratones mutantes para esta proteína no pudieron formar grupos de receptores colinérgicos.
Transcripción específica de sinapsisSe logra una mayor concentración de receptores colinérgicos no solo a través de la manipulación de componentes sinápticos preexistentes. El axón, mediante la señalización, es capaz de regular la expresión génica en el núcleo de la célula muscular a nivel de transcripción . Todo esto también sucede para aumentar la intensidad del agrupamiento local de receptores en la membrana. En particular, dos moléculas están involucradas en la señalización: una proteína de la familia de las calcitoninas (péptido relacionado con el gen de la calcitonina) y un miembro de la familia de proteínas de las neurregulinas (llamadas así por su papel en la regulación de los procesos moleculares neuronales). Estas dos proteínas provocan una cascada de reacciones químicas en las que intervienen varias quinasas , lo que finalmente conduce a la activación de la transcripción de genes de receptores colinérgicos [7] .
Represión extrasinápticaLas sinapsis recién formadas pueden generar señales eléctricas que afectan a las células extrasinápticas circundantes de tal manera que reducen significativamente la expresión de genes de receptores colinérgicos. La precisión del impulso enviado por el axón a la membrana postsináptica se logra precisamente reduciendo simultáneamente la concentración de receptores fuera de la sinapsis y aumentando su número dentro de ella. Dado que la sinapsis comienza a recibir información casi inmediatamente después de la formación de la unión neuromuscular, el axón genera rápidamente un potencial de acción y libera acetilcolina. La despolarización provocada por la unión de la acetilcolina a sus receptores inicia la contracción muscular y, al mismo tiempo, la inhibición de la transcripción de genes receptores en las células de fibra muscular alrededor de la sinapsis. Cabe señalar que el efecto actúa a distancia y los receptores que se encuentran directamente en la membrana postsináptica no se reprimen.
Aunque se desconocen los mecanismos que gobiernan la diferenciación presináptica, los cambios que ocurren en la terminal axonal en desarrollo están bastante bien caracterizados. Aumenta el volumen y el área de contacto sináptico, el volumen de vesículas, la concentración de vesículas en la zona activa de la sinapsis, así como la polarización de la membrana presináptica. Se cree que estos cambios están mediados por neurotrofina y varias moléculas de adhesión celular liberadas por el miocito; esto resalta la importancia de la conexión entre la motoneurona y la fibra muscular en el proceso de sinaptogénesis. Se cree que es el cambio en la expresión génica y la redistribución de los componentes constituyentes de la sinapsis los momentos clave de la diferenciación pre y postsináptica. Esto también está respaldado por una mayor expresión de genes de proteínas vesiculares poco después de la formación de sinapsis, así como su alocalización en la terminal axonal.
Las sinapsis inmaduras muestran inervación múltiple debido a la alta propensión de los nuevos axones a unirse a las sinapsis preexistentes. A medida que maduran, las sinapsis se separan y, finalmente, solo queda un axón en la entrada; esto sucede en un proceso llamado eliminación de sinapsis. Además, por invaginación, el lado postsináptico aumenta el área de superficie receptora de neurotransmisores. En las primeras etapas de la ontogénesis, las células de Schwann forman una vaina no mielinizante laxa que cubre un grupo de sinapsis, pero a medida que crecen y se desarrollan, los límites de competencia de un solo neurolemocito se reducen a una sola sinapsis.
Eliminación de la sinapsisLa eliminación de sinapsis, como uno de los mecanismos de poda sináptica, implica un proceso que depende directamente de la actividad de los axones competidores. En el caso de una sinapsis particular, si la frecuencia de los impulsos de entrada es suficiente para crear un potencial de acción, esto provocará la expresión de los genes de la proteína sinaptotrofina en el núcleo del miocito postsináptico, y estas proteínas mantendrán esta sinapsis. Surge un mecanismo de retroalimentación positiva inaccesible para las sinapsis menos demandadas, por lo que están abocadas a la eliminación. También se ha sugerido que, además de las sinaptotropinas liberadas en las sinapsis activas, la despolarización de su membrana postsináptica provoca la liberación de sinaptotoxinas que inhiben los axones en las sinapsis inactivas.
Un aspecto notable de la sinaptogénesis es el hecho de que las neuronas motoras pueden distinguir entre fibras musculares rápidas y lentas; Las fibras musculares de contracción rápida están inervadas por neuronas motoras "rápidas", y las fibras musculares de contracción lenta están inervadas por neuronas motoras "lentas". Hay dos vías hipotéticas por las cuales los axones de las neuronas motoras logran esta especificidad; estas vías difieren entre sí en un momento clave: el grado de selectividad en el que el axón y la fibra muscular inervada por él interactúan entre sí, el grado de procesamiento por parte del axón de los datos de entrada del miocito. La primera hipótesis sugiere que los axones eligen un camino "rápido" o "lento" dependiendo de las sustancias de señalización que son diferentes en las fibras musculares rápidas y lentas. Además, se observa selectividad incluso en las primeras etapas, cuando los axones se orientan en relación con las fibras musculares de modo que un axón en particular inerva una célula muscular en particular. La segunda hipótesis es que el movimiento del axón y su conexión con un miocito específico lo proporciona la matriz extracelular que baña al axón, es decir, no es el objetivo final del axón, sino que el entorno determina su destino. Finalmente, puede ser que la formación de la unión neuromuscular no esté predeterminada, y las fibras musculares adquieran luego sus características rápidas o lentas, dependiendo de las características del axón que las inerva. Si es así, entonces las neuronas motoras "rápidas" pueden transformar cualquier fibra muscular en una de contracción rápida. Hay mucha evidencia a favor de todas las posibilidades descritas, lo que hace que uno tienda a pensar en su combinación en el proceso de formación de sinapsis.
Los datos obtenidos en estudios de sinapsis neuromusculares son extrapolables a los procesos de sinaptogénesis en el SNC, aunque los estudios de este último son mucho más recientes. Estos dos tipos de conexiones tienen mucho en común. Ambos tipos de sinapsis tienen una estructura básica conservada: la terminal nerviosa presináptica, la hendidura sináptica y la célula postsináptica receptora. Ambos tipos de sinapsis contienen una alta concentración de vesículas en el sitio activo, grupos de receptores en la membrana receptora y, finalmente, ambos están aislados por células gliales especializadas. Los procesos que ocurren en ellos también son bastante conservadores. Estos son la agrupación de receptores y un aumento localizado en la intensidad de la síntesis de proteínas en los centros activos y la poda sináptica mediante la eliminación de las sinapsis inactivas.
A pesar de las similitudes anteriores, existe una diferencia fundamental entre estos dos compuestos. Dado que el miocito ya no actúa como una célula postsináptica, los receptores activos y sus neurotransmisores son fundamentalmente diferentes. Más importante aún, las neuronas dentro del SNC están inervadas por muchas otras neuronas simultáneamente y deben poder integrar y procesar una gran cantidad de información cuando las fibras musculares están inervadas por una sola neurona y se contraen en respuesta a un solo impulso. En combinación con la plasticidad inherente a las conexiones neuronales, la red neuronal del SNC tiene un enorme potencial de complejidad.
El homólogo de la acetilcolina y sus receptores en el SNC es el receptor de glutamato y N-metil-D-aspartato (NMDA). Se ha demostrado que la activación de los receptores NMDA inicia una cascada de reacciones químicas que conducen a la formación y estabilización de sinapsis . Un mayor nivel de actividad del receptor NMDA durante el desarrollo de la sinapsis permite una mayor entrada de calcio, que actúa como una señal secundaria. Además, los factores de transcripción activan los genes de respuesta primaria (GRP), que desempeñan un papel importante en procesos como, por ejemplo, la potenciación a largo plazo. [8] La función del receptor NMDA también está asociada con los receptores de estrógeno en el hipocampo. Los experimentos realizados con estradiol muestran que la exposición al estrógeno aumenta significativamente la densidad de sinapsis y la concentración de proteínas. [9]
La transmisión de un impulso nervioso durante la sinaptogénesis depende no solo de la actividad de una sola sinapsis, sino también del entorno que rodea a esta sinapsis. Por ejemplo, el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) es producido por el cerebro y regula varias funciones en la sinapsis en desarrollo, incluido el aumento de la liberación de neurotransmisores, el aumento de la concentración de vesículas y la biosíntesis de colesterol. El colesterol es un componente estructural importante de la bicapa lipídica, actuando como un sitio para varias interacciones de señalización. Los mutantes de BDNF muestran defectos significativos en el crecimiento neuronal y la formación de sinapsis. [10] Además de las neurotrofinas, las moléculas de adhesión celular también juegan un papel importante en la sinaptogénesis. En muchos sentidos, la sinaptogénesis depende de la correcta unión local de una molécula de adhesión a otra. Se ha demostrado que los defectos en los genes que codifican las proteínas neuroliginas , una de las moléculas de adhesión celular más importantes que intervienen en el proceso de estabilización de las sinapsis, están asociados con algunos casos de autismo y retraso mental. [11] Finalmente, muchos de estos procesos de señalización pueden ser regulados por metaloproteinasas de matriz (MMP).
MorfologíaLos sitios altamente dinámicos que reciben múltiples impulsos entrantes simultáneamente son las espinas dendríticas . Este dinamismo morfológico se debe a la regulación específica del citoesqueleto de actina que, a su vez, permite la regulación de la formación de sinapsis. [12] Morfológicamente, las espinas dendríticas se pueden dividir en tres tipos principales: filopodios, espinas delgadas y espinas fungiformes. Los filopodios inician contacto con los axones de otras neuronas. Los filopodios de las neuronas recién formadas tienden a formar contactos con los axones que inervan múltiples sinapsis, mientras que los filopodios de las neuronas más viejas se unen predominantemente con los axones que inervan una sola sinapsis. Debido a la alta dinámica, algunos tipos de espinas pueden pasar a otros, por ejemplo, los filopodios se transforman fácilmente en espinas similares a hongos, que son los sitios principales de los receptores de glutamato. [13]
El enriquecimiento ecológico es un término para la estimulación del cerebro en desarrollo por el entorno físico y social. El enriquecimiento ecológico conduce al hecho de que la eficiencia de los procesos de sinaptogénesis aumenta significativamente. Así, las ratas cultivadas en un medio con tal efecto muestran un aumento del número de sinapsis del 25% en comparación con el control. [14] [15] Este efecto se observa si el entorno de estímulo se produce inmediatamente después del nacimiento, [16] poco después del destete, [17] o durante la edad adulta. [18] No solo para las neuronas piramidales , sino también para las neuronas estrelladas, el enriquecimiento ambiental provoca un estallido de sinaptogénesis. [19]
En la familia de proteínas Wnt , existen varios morfógenos embrionarios (sustancias que determinan la morfogénesis de los tejidos) que contribuyen a la formación temprana de estructuras en el embrión en desarrollo. La evidencia reciente muestra la contribución de los morfógenos de esta familia a la sinaptogénesis y la plasticidad , y la familia contribuye a la sinaptogénesis tanto de las sinapsis del SNC como de las sinapsis neuromusculares.
En las sinapsis cerebelosas , la familia Wnt induce la maduración de las terminaciones pre y postsinápticas. Esta región del cerebro contiene tres tipos principales de neuronas: células de Purkinje , células granulares y células de fibra musgosa. En las células de Purkinje, Wnt-3 estimula el crecimiento tanto de las dendritas como de los axones. [20] [21] Las células granulares expresan Wnt-7a, que induce el crecimiento y la ramificación de los axones en las células de fibra musgosa. La secreción retrógrada de Wnt-7a dirigida a las fibras musgosas provoca un aumento en el cono de crecimiento del axón al aumentar el número de microtúbulos . Además, la señalización retrógrada de Wnt-7a provoca la acumulación de vesículas sinápticas y proteínas presinápticas en la zona activa de la sinapsis. Bnt-5A realiza una función similar en las células granulares postsinápticas; La señalización de Wnt-5 estimula el ensamblaje de receptores en la membrana, así como la agrupación de la proteína andamio PSD-95 en la membrana.
En el hipocampo , las proteínas de la familia Wnt, en combinación con la actividad eléctrica celular, también promueven la formación de sinapsis. Wnt7b se expresa en dendritas en maduración; además, la expresión de receptores de la familia Frizzled (Fz), específicos para proteínas Wnt, aumenta en sinapsis en desarrollo. Los receptores de glutamato NMDA se activan en respuesta a la expresión de proteínas de tipo Wnt-2. La potenciación a largo plazo debida a la activación del receptor NMDA y la posterior expresión de Wnt conduce a la agrupación de receptores de tipo Fz-5 en la membrana de las células postsinápticas. Además, los tipos de señalización Wnt-7a y Wnt-2, después de una potenciación a largo plazo mediada de esta manera, aumentan la intensidad del proceso de ramificación dendrítica y también regulan la plasticidad sináptica. El bloqueo de la expresión de las proteínas de la familia Wnt conduce naturalmente a la inhibición de estos procesos. [22]
Mecanismos similares mediados por la familia Wnt en el SNC se observan bien en las uniones neuromusculares. En Drosophila , las mutaciones en el receptor Wnt-5 en las sinapsis neuromusculares conducen a una disminución en el número y densidad de centros activos. El principal neurotransmisor de este sistema es el glutamato. Las proteínas de la familia Wnt son necesarias para la correcta localización de los receptores glutamatérgicos en la membrana postsináptica de los miocitos. Las mutaciones en las proteínas de esta familia provocan una disminución de la intensidad de la onda de despolarización después de que el impulso se transmite desde el axón hasta la fibra muscular.
En los vertebrados, en las sinapsis neuromusculares, la expresión de la proteína Wnt-11r promueve la agrupación de receptores colinérgicos en la membrana postsináptica de las células musculares. La proteína Wnt-3 se expresa en las fibras musculares y se secreta de forma retrógrada a las neuronas motoras. En las neuronas motoras, Wnt-3 funciona junto con Agrin para estimular la expansión del cono de crecimiento, la ramificación terminal axonal y la agrupación de vesículas sinápticas.