Desarrollo del Sistema Nervioso

Introducción

El sistema nervioso no es una red estática de elementos interconectados, tal como implica el modelo de esquema de conexiones; es más bien un órgano vivo con plasticidad ( que puede cambiar), el cual se desarrolla y cambia continuamente en respuesta a sus programas genéticos y a la interacción con su medio ambiente.

Hay tres puntos clave en el desarrollo neural:

  1. La complejidad y el prodigio del desarrollo neural, 
  2. El importante papel que desempeña la experiencia y 
  3. las nefastas consecuencias de las anomalías del desarrollo neural. 
Esta sección desarrolla estos tres puntos y culmina con una exposición de dos devastadores trastornos del desarrollo neural humano: el autismo y el síndrome de Williams.

El caso de G.
G. con 13 años medía 1.35 y pesaba 28.1 kilos. No controlaba la vejiga o los intestinos. Desde los 20 meses había pasado la mayoría de los días atada a un orinal y en una pequeña y oscura habitación cerrada. Su única vestimenta era un trapo con correas que le impedía mover cualquier parte de su cuerpo que no fuera pies y manos. Su padre y hermano casi nunca le hablaban. Sólo se le daba de comer cereales o comida para niños. La grave privación que sufrió le dejó graves cicatrices. Se hizo un gran esfuerzo para dar marcha atrás en su desarrollo. Aunque manifestó cierta mejoría en los años posteriores a su rescate, podía verse claramente que nunca alcanzaría algo que se aproximara a un desarrollo psicológico normal. Está claro que la experiencia desempeña un importante papel en los procesos de desarrollo neural.

Desarrollo cerebral postnatal en bebés humanos

La mayor parte de nuestro conocimiento sobre el desarrollo neural procede del estudio de especies no humanas. Hay, sin embargo, un aspecto en el que el desarrollo del cerebro humano es único: se desarrolla bastante más lentamente que el de otras especies y no alcanza su plena madurez hasta el final de la adolescencia.

Crecimiento postnatal del encéfalo humano
El encéfalo humano crece considerablemente después del nacimiento, su volumen se cuadriplica. Este aumento de tamaño no se debe, sin embargo, al desarrollo de neuronas adicionales. A excepción de unas cuantas estructuras ( p.ej., el bulbo olfativo y el hipocampo) en las que continúan produciéndose muchas neuronas nuevas durante los años adultos, todas las neuronas que compondrán el encéfalo humano adulto se han desarrollado y migrado a su lugar apropiado en el séptimo mes del desarrollo prenatal. Parece ser que el crecimiento postnatal del encéfalo humano proviene de otros tres tipos de crecimiento. Sinaptogénesis, mielinización de muchos axones y aumento de la ramificación de las dendritas.

Se ha dado un particular interés por la formación postnatal de sinapsis debido a que se asume que la cantidad de conexiones entre neuronas en una región determinada del encéfalo es un índice de la capacidad analítica de esa región. Parece haber un incremento en el ritmo de formación de sinapsis en toda la corteza humana poco después del nacimiento, pero hay diferencias entre las regiones corticales en el curso de este desarrollo. Por ejemplo, en la corteza visual y auditiva se da una primer salva de sinaptogénesis en el cuarto mes postnatal, y la máxima densidad sináptica se consigue en el séptimo u octavo mes; mientras que la sinaptogénesis en la corteza prefrontal ocurre a un ritmo relativamente regular, alcanzándose la máxima densidad sináptica en el segundo año de vida.
La mielinización aumenta la velocidad de conducción axónica, y la mielinización de diversas áreas del encéfalo humano durante el desarrollo es aproximadamente paralela a su desarrollo funcional. La mielinización de las áreas sensitivas tiene lugar en los primeros meses inmediatamente después del nacimiento, y la mielinización de las áreas motoras le sigue pronto; mientras que la mielinización de la corteza prefrontal continúa hasta la adolescencia.

La pauta de ramificación dendrítica duplica a la de migración neural. Así como las células de las capas más profundas son las primeras en migrar a su lugar definitivo y las células de capas progresivamente más superficiales migran a su través para alcanzar sus lugares de destinó, la ramificación dendrítica progresa desde las capas más profundas a las más superficiales.

El desarrollo postnatal no es una vía de sentido único; se dan cambios regresivos además de crecimiento: una vez alcanzada la máxima densidad sináptica, hay períodos de pérdida sináptica. Al igual que los períodos de sinaptogénesis, los períodos de pérdida sináptica ocurren en momentos diferentes en diferentes partes del encéfalo. Se ha sugerido que el exceso de producción de sinapsis puede subyacer a la mayor plasticidad que tiene el encéfalo joven.

Desarrollo de la corteza prefrontal
La corteza prefrontal presenta el período de desarrollo más prolongado de cualquier región cerebral. Se piensa que su desarrollo es en gran parte responsable del curso del desarrollo cognitivo humano, que ocurre aproximadamente en el mismo período.

Aunque no haya una única teoría que explique su función, no obstante, se han relacionado tres tipos de funciones cognitivas con esta área en estudios de adultos con lesión prefrontal. Al parecer, la corteza prefrontal interviene en:

  1. la memoria de trabajo , 
  2. la planificación y ejecución de secuencias de acciones y 
  3. la inhibición de respuestas que son inadecuadas en el contexto actual pero no en otros.

La perseveración es la tendencia a continuar dando una respuesta previamente correcta cuando en ese momento es incorrecta. Por ejemplo, en el llamado error A no-B, Piaget colocó un juguete detrás de una pantalla, los niños de 7 meses alcanzaban la mampara detrás de la cual habían visto que se colocaba el juguete. Sin embargo, si después de varios intentos se colocaba detrás de otra mampara (cuando el niño estaba mirando), la mayoría de los niños seguía intentando obtenerlos detrás de la mampara previamente correcta más que de la pantalla que en ese momento ocultaba el juguete. Diamond planteó la hipótesis de que ese error perseverativo ocurría debido a que los circuitos neurales de la corteza prefrontal no están completamente desarrollados durante dicho período. La sinaptogénesis en la corteza prefrontal no es máxima hasta el comienzo del segundo año de vida, y la ejecución correcta de la tarea en ese estudio implicaba a dos de las principales funciones de esa área cerebral: mantener la información en la memoria de trabajo y suprimir las respuestas previamente correctas pero actualmente incorrectas.

Para apoyar su hipótesis, Diamond llevó a cabo una serie de experimentos comparativos. Primero, demostró que las crías de monos , pero no los adultos, cometían el mismo error perseverativo que los bebés de 7 a 12 meses de la prueba de Piaget. Después encontró que los monos adultos con lesiones bilaterales en la corteza prefrontal dorsolateral cometían errores de perseveración similares a los que hacían las crías de monos. Los monos del grupo de control con lesión en el hipocampo o en la corteza parietal posterior no cometían tales errores.

Efectos de la experiencia en el desarrollo inicial, mantenimiento y reorganización de los circuitos neurales

El desarrollo nervioso se despliega a partir de interacciones entre las neuronas y su ambiente. Este apartado se centra en la forma en que las experiencias del organismo en desarrollo influyen en el desarrollo, mantenimiento y reorganización de los circuitos neurales. El principio fundamental que rige los efectos de las primeras experiencias sobre los circuitos neurales nervioso es sencillo. Las neuronas y las sinapsis que no son activadas por la experiencia por lo general no sobreviven.

Estudios iniciales de la experiencia y desarrollo neural
Muchas de las primeras demostraciones de las repercusiones de las primeras experiencias sobre el desarrollo neural proceden de dos líneas de investigación: el estudio de los efectos de la privación visual temprana y el estudio de la exposición temprana a ambientes ricos en estímulos. Por ejemplo, las ratas que se han criado en jaulas de grupo con muchos estímulos en vez de criarse solas en jaulas estériles (con pocos estímulos) tienen cortezas más gruesas, con más espinas dendríticas y más sinapsis por neurona. En una situación opuesta ocurre lo contrario.

Carácter competitivo de la experiencia y el desarrollo neural
La experiencia fomenta el desarrollo de circuitos neurales activos y el mantenimiento o la reorganización de los existentes, pero en esto parece haber un aspecto competitivo. Este aspecto competitivo queda ilustrado claramente por los perjudiciales efectos de la privación monocular temprana. Cuando solamente se ciega un ojo, se reduce la capacidad de ese ojo para activar la corteza visual, mientras que la capacidad del otro ojo aumenta. Si se priva de luz a un ojo durante varios días en algún momento durante los primeros meses de vida, el sistema se reorganiza; se reduce el ancho de las columnas que reciben input del ojo privado y aumenta el ancho de las columnas que lo reciben del ojo no privado: El momento exacto del período sensible para este efecto es específico en cada especie.

Ya que los efectos adversos de la privación monocular temprana se manifiestan tan rápidamente (esto es, en pocos días), se supuso (incorrectamente) que no podían estar mediados por cambios estructurales. Sin embargo, Antonini y Stryker hallaron que unos pocos días de privación monocular producen un descenso formidable de la ramificación axónica en las neuronas del núcleo geniculado lateral que normalmente transmiten señales del ojo privado a la capa IV de la corteza visual primaria.

El carácter competitivo de los efectos de la actividad neural sobre la reorganización sináptica se ha demostrado asimismo en experimentos realizados con neuronas motoras y células musculares. Lo y Poo estudiaron una preparación in Vitro en la que una célula muscular en desarrollo estaba inervada por dos neuronas motoras en desarrollo. La aplicación de descargas de estimulación eléctrica a una de estas neuronas provocó una rápida degradación de los contractos sinápticos de la otra. Al parecer, las neuronas motoras compiten entre sí por los contactos sinápticos con las células musculares y las sinapsis activas adquieren prioridad.


Efectos de la experiencia sobre los mapas corticales sensitivos topográficos
Roe y colbs. Alteraron quirúrgicamente el trayecto de los axones en desarrollo de células ganglionares retinianas en hurones, de modo que los axones establecieran sinapsis en el núcleo geniculado medial perteneciente al sistema auditivo en lugar de hacerlo en el núcleo geniculado lateral del sistema visual. Sorprendentemente, la experiencia del input visual hizo que la corteza auditiva de los hurones se organizara retinotópicamente (dispuesta como una capa de la retina).

Knudsen y Brainard criaron lechuzas con primas en sus ojos que distorsionaban la visión. Esto llevó a un cambio correspondiente en el mapa auditivo espacial del tectum . Una lechuza criada llevando prismas que giraban el mundo visual 23º hacia la derecha tenía un mapa auditivo que estaba también girado 23º hacia la derecha, de modo que los objetos se oían donde debían verse.

Wekiky y Katz alteraron periódicamente la actividad espontánea del nervio óptico en hurones recién nacidos que acababan de abrir los ojos. Esto alteró la selectividad de la orientación y la dirección a la que respondían las neuronas de la corteza visual primaria en los hurones. Así pues, parece ser que el patrón de actividad neural espontánea que emana de los ojos fetales antes de que se inicie la visión cumple una función en el desarrollo o mantenimiento de la corteza visual.

Varios estudiosos han demostrado que la formación musical temprana influye en la organización de la corteza auditiva humana. Estudios de RMf han demostrado que la formación musical temprana tiende a expandir el área de corteza auditiva que responde a los tonos musicales complejos, y los estudios comportamentales han puesto de manifiesto que la formación musical temprana lleva al desarrollo del oído absoluto .

Mecanismos por los que la experiencia puede influir en el desarrollo neural
Todavía no se conocen bien los mecanismos a través de los que la experiencia ejerce esos efectos. El problema no es la falta de posibles mecanismos, sino más bien que son demasiados. A continuación se indican tres posibilidades.

En primer lugar, se ha demostrado que la actividad neural regula la expresión de genes que dirigen la síntesis de moléculas de adherencia celular (MACs). Así, al influir en la actividad neural, la experiencia podría producir cambios en la adherencia celular.

En segundo lugar, se ha comprobado que la actividad neural influye en la liberación de neurotrofinas. Por lo tanto, al influir sobre la actividad neural, la experiencia podría fomentar y dirigir el crecimiento de neuronas e influir en su supervivencia.

En tercer lugar, algunos circuitos neurales están espontáneamente activos en una etapa temprana del curso del desarrollo cerebral, y para que progresen normalmente ciertos aspectos del desarrollo cerebral se requiere la actividad de estos circuitos De este modo, influyendo en la actividad de circuitos neurales espontáneamente activos, la experiencia podría influir en el curso del desarrollo del cerebro.

Plasticidad neural en adultos

Hasta la última década se pensaba que la neuroplasticidad se restringía al período de desarrollo del cerebro. Los cerebros maduros se consideraban estancados, incapaces de una reorganización sustancial. Ahora es evidente que los cerebros maduros también tienen plasticidad. Ha quedado claro que el cerebro maduro no es un órgano estático, sino que está cambiando y adaptándose continuamente. Examinaremos dos líneas de investigación, aunque hay más.

Neurogénesis en mamíferos adultos
La neurogénesis no se da en adultos. Esto ha resultado ser incorrecto. Antes de los años ochenta, se pensaba que todas las neuronas se producían durante las fases iniciales del desarrollo. Consecuentemente, el desarrollo posterior del cerebro se consideraba como una pendiente en declive: las neuronas mueren continuamente a lo largo de la vida de la persona, y se asumía que las células perdidas nunca eran reemplazadas por células nuevas. La primera contradicción surgió con el descubrimiento del desarrollo de nuevas neuronas en los cerebros de aves adultas. En 1990, los investigadores, equipados con marcadores inmunohistoquímicos que tenían una afinidad selectiva por neuronas originadas recientemente, demostraron de modo convincente que, en efecto, en el hipocampo de la rata se da neurogénesis adulta (Fig. 9.10). Y poco después se descubrió que continuamente se están sumando nuevas neuronas a los bulbos olfativos adultos. Parece ser que en mamíferos adultos la neurogénesis se restringe al bulbo olfativo y al hipocampo.

¿De donde proceden las neuronas creadas por la neurogénesis adulta? Las células madre se producen en lugares determinados de la capa ependimaria que rodea los ventrículos y en la capa de tejido neural adyacente; desde aquí migran a los bulbos olfativos. Por lo contrario, parece ser que las nuevas células hipocampales se producen cerca de su emplazamiento final.

Una línea particularmente prometedora se inició con un estudio de los efectos, en roedores adultos, de vivir en ambientes ricos en estímulos. Resultó que las ratas adultas que habitaban en ambientes “enriquecedores” producían un 60% más de nuevas neuronas hipocampales que las ratas adultas que habitaban en ambientes no enriquecidos, pero hay que señalar que el efecto positivo observado en la neurogénesis en el hipocampo de la rata adulta no es un consecuencia directa de los ambientes enriquecedores, sino que depende en gran medida del aumento de ejercicio físico que suele darse en tales ambientes. Este descubrimiento tiene una implicación sugerente: en vista del hecho de que el hipocampo está implicado en ciertos tipos de memoria, tal vez pueda utilizarse el ejercicio como un tratamiento para aquellos que padecen problemas de memoria.

Efectos de la experiencia sobre la reorganización de la corteza en adultos
La experiencia en la vida adulta puede llevar a una reorganización de los mapas corticales sensitivos y motores. Elbert y colbs. demostraron que los músicos adultos que interpretan instrumentos de cuerda que se tocan con los dedos de la mano izquierda tienen aumentada el área de representación de la mano en la corteza somatosensitiva derecha. Los datos sugieren que es la práctica de la habilidad, más que la fortaleza o la tenacidad de la práctica lo que lleva a la reorganización de la corteza motora.

En otra demostración más controlada de la capacidad que tiene la experiencia para reorganizar el cerebro humano adulto, voluntarios humanos sanos recibieron 1 hora de experiencia táctil durante 20 días. Los sujetos experimentaron patrones de contactos aplicados simultáneamente a las puntas de los dedos pulgar y meñique izquierdos. Había dos condiciones experimentales: en una los sujetos permanecían sentados pasivamente mientras se les administraban los estímulos, en la otra se les pidió que identificaran los patrones de estimulación. Los resultados fueron que en la condición pasiva, las áreas de corteza somatosensitiva se desplazaron más cerca un de otra, mientras que en la condición activa, las áreas de corteza somatosensitiva se desplazaron lejos una de otra.

Trastornos del desarrollo neural: autismo y síndrome de Williams

Autismo
El diagnóstico de autismo se basa en tres síntomas esenciales:

  1. reducida capacidad de interpretar las emociones e intenciones de los demás, 
  2. disminuida habilidad de interactuación social y comunicación y 
  3. preocupación por un solo tema o actividad. 
Otros signos se asocian por lo general, pero no en todos los casos, con él: preferentemente en varones, retraso mental y epilepsia, dificultad para imitar los gestos de otras personas.

El autismo es difícil de tratar. La terapia comportamental intensiva puede mejorar las vidas pero rara vez es posible que una persona con autismo sea independiente.
El autismo es un trastorno heterogéneo. En el autismo, algunas funciones están seriamente dañadas, mientras que otras son normales o incluso superiores.

No todos los pacientes con autismo manifiestan el mismo modelo de alteraciones. Esto sugiere que el autismo no tiene una sola causa y que es mejor considerarlo como un grupo de trastornos relacionados.
Pese a la heterogeneidad del autismo, existen ciertos patrones comunes: la mayoría de los individuos con autismo presentan capacidades preservadas como la capacidad de memorizar, habilidad de completar rompecabezas, capacidad musical y capacidad artística.

Incluso en la categoría aislada de incapacidad de lenguaje, se da a menudo un patrón de alteraciones heterogéneo. Muchos individuos tienen un vocabulario considerable, escriben bien y pueden leer en voz alta incluso cosas que no entienden, sin embargo, los mismos individuos son incapaces de utilizar la entonación para comunicar emociones, de coordinar la dirección de la mirada y la expresión facial con el habla y de hablar metafóricamente.

Eruditos autistas. Son individuos con deficiencias intelectuales que sin embargo manifiestan capacidades cognitivas o artísticas asombrosas y específicas. Las capacidades eruditas pueden tomar muchas formas, como por ejemplo, prodigios de memoria (saben el día de la semana de cualquier fecha futura o pasada, identifican números primos), dibujar y tocar instrumentos musicales.

Algunos casos de eruditos autistas asombrosos
N. era capaz de hacer dibujos con calidad de galería .
Otro erudito era capaz de decir la hora con exactitud de segundos sin mirar nunca su reloj.
Otra podía especificar la anchura de los objetos
T, de 13 años podía interpretar en el piano la pieza más difícil tras haberla oído sólo una vez, incluso tocando de espaldas al piano. Una vez tocó una canción con una mano y otra con la otra mano, mientras cantaba una tercera.
Un par de gemelos autistas daban la fecha de los últimos o próximos 40.000 años. Una caja de cerillas se cayó al suelo. “Ciento once”, gritaron los dos a la vez. Había 111.

Las capacidades eruditas no se desarrollan mediante aprendizaje de memoria o práctica, parece ser espontáneas. Sólo cabe especular que el daño de ciertas partes de su cerebro ha llevado a un exceso de desarrollo compensatorio de otras.

Base neural del autismo. Dos líneas de investigación demuestran que los factores genéticos influyen en el desarrollo del autismo. En primer lugar, se ha encontrado que el autismo se hereda en la familia. En segundo lugar, el desarrollo del autismo está estrechamente relacionado en gemelos monocigóticos: si un gemelo es autista, el otro tiene un 60% de serlo. Aunque esta alta correlación demuestra que el autismo tiene una base genética, también indica que no es totalmente genético. En conjunto, estas dos líneas de investigación sugieren que el autismo está desencadenado por varios genes que interactúan con el ambiente.

El daño cerebral asociado con el trastorno es variable. El daño se ha observado más frecuentemente en el cerebelo y partes relacionadas del encéfalo, pero generalmente tiende a estar extendido por todo el encéfalo.

La talidomida ( píldora contra las náuseas del embarazo), aumentaba que el niño naciera con autismo. Ya que la prescripción estaba restringida a las primeras semanas de gestación esta relación sugiere que el autismo está producido por un error del desarrollo neural que ocurre en dicho período, se ha demostrado que el autismo inducido por talidomida y el autismo típico se asocian con diversas anomalías de la cara, boca y control ocular.

Rodier tuvo la oportunidad de llevar a cabo una autopsia del encéfalo de una mujer con autismo . Hizo un notable descubrimiento. El tronco del encéfalo era más corto de lo normal, como si una sección de él no se hubiera desarrollado. Los núcleos de esta sección estaban, o bien poco desarrollados o ausentes por completo (oliva superior). Esta configuración se da en los ratones knockout , manipulados genéticamente para que les faltara la expresión del gen conocido como Hox 1. Sin embargo, es poco probable que las desviaciones que ocurren en el mesencéfalo sean responsables de todos, o incluso de la mayoría, de los síntomas del autismo, por otro lado, el gen Hox 1 se ha visto implicado sólo en algunos casos de autismo.

Síndrome de Williams
El síndrome de Williams, al igual que el autismo, es un trastorno de desarrollo asociado con retraso mental y un patrón notoriamente desigual de capacidades y discapacidades.

Por el contrario a las personas con autismo, retraídas emocionalmente insensibles y no comunicativas, las que padecen el síndrome de Williams son sociables, empáticos y comunicativas. Son sus capacidades lingüísticas lo que más ha llamado la atención. Aunque manifiestan un retraso en el desarrollo del lenguaje y deficiencias del lenguaje en la vida adulta, su capacidad lingüística (habilidad de expresión y narración) es notable si se tiene en cuenta su característicamente bajo CI. Se observa que cambiaban el tono, el volumen, el ritmo y el vocabulario de su discurso para atraer la audiencia.

Aunque la mayoría no pueden aprender a leer música, algunas personas tienen un tono casi perfecto y un extraordinario sentido del ritmo. Otra capacidad cognitiva es su capacidad de reconocer caras.

Sin embargo, tienen algunos graves problemas cognitivos, por ejemplo, en relación con la cognición espacial, les cuesta mucho recordar la localización de unos cuantos cubos colocados sobre un tablero de prueba; su lenguaje relacionado con el espacio es deficiente y su capacidad para dibujar es casi nula.

El síndrome de Williams también se asocia con una serie de problemas de salud, entre los que se incluyen varios relacionados con el corazón. Se encontró que el gen que controla la síntesis de elastina en una de las dos copias del cromosoma 7 faltaba en el 95% de las personas con síndrome de Williams. También faltaban otros genes, toda una región del cromosoma 7.

En general, las personas con este síndrome presentan un marcado subdesarrollo de la corteza occipital y parietal, lo que podría explicar su deficiente capacidad espacial; una corteza frontal y temporal normales, lo que podría explicar que mantengan intacta su capacidad de lenguaje; y anomalías en el sistema límbico, lo que podría explicar su cálida simpatía.

Fenotípicamente, suelen ser de corta estatura y tener una nariz pequeña y respingona, orejas ovaladas, bocas grandes labios carnosos, ojos saltones y una barbilla pequeña.

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