Los estudios sobre plasticidad cerebral nos dicen que nuestro cerebro es capaz de cambiar su estructura y configuración durante toda la vida en función de nuestras experiencias con el entorno.
Nuestro cerebro está en permanente cambio, inclusive en los adultos y personas mayores. Y podemos estimular estas modificaciones ejercitando nuestro cerebro a través de la actividad cognitiva y sensorial, el ejercicio físico, las emociones, la nutrición, etc.
Cómo se produce la plasticidad cerebral
Científicos del MIT descubren el mecanismo de la plasticidad cerebral
El trabajo que han llevado a cabo es extremadamente complejo. Cuando una conexión, llamada sinapsis, se fortalece, las sinapsis vecinas se debilitan debido a la acción de una proteína llamada Arc. El descubrimiento de esta regla fundamental de la plasticidad cerebral explica cómo el fortalecimiento y el debilitamiento sináptico se combinan en las neuronas para producir plasticidad.
Papel determinante de la proteína Arc
Una vez que los investigadores comprobaron la regla, quisieron saber el mecanismo por el que las neuronas la obedecen. Para ello tenían que poder observar cómo cambian los receptores AMPA, que son claves en las sinapsis. Valiéndose de una etiqueta química, vieron que la ampliación y el fortalecimiento de las sinapsis está correlacionado con una mayor expresión del receptor AMPA, del mismo modo que la reducción y el debilitamiento de las sinapsis está correlacionado con una menor expresión de este receptor. La proteína que regula la expresión del AMPA es la proteína Arc.
Origen de la proteína Arc. La proteína tiene propiedades similares a las que usan los virus para infectar las células huésped y se originó a partir de un evento evolutivo fortuito que ocurrió hace cientos de millones de años. La historia del origen de Arc se transmite a través de los genomas de los animales a lo largo del tiempo evolutivo. Hace 350-400 millones de años, un acontecimiento fortuito golpeó a criaturas de cuatro extremidades que vagaban por la tierra. Un antepasado de los retrovirus, llamados retrotransposones, insertó su material genético en el ADN de los animales. El evento condujo al Arc de mamíferos que conocemos hoy.
Después de que los virus invaden las células huésped, emergen listos para infectar una vez más. Parece que Arc funciona de manera similar. Los científicos recolectaron Arc que se había liberado de las neuronas de ratón y determinaron que las proteínas y su carga podrían ser absorbidas por otro conjunto de neuronas. A diferencia de los virus, la activación de las neuronas moviliza a Arc, lo que desencadena la liberación de cápsides (envolturas del ácido ribonucleico).
El equipo utilizó una etiqueta química – que tuvo que ser desarrollada por científicos de Japón, ya que nunca antes se había hecho una para el cerebro de un animal vivo – que le permitió observar que las sinapsis fortalecidas estaban rodeadas de sinapsis debilitadas que habían enriquecido la expresión de Arc, y que el fortalecimiento de las sinapsis aumenta la proteína para debilitar las sinapsis vecinas. En otras palabras, Arc es la proteína que mantiene el equilibrio de los recursos sinápticos.
Cambios moleculares en las sinapsis pueden regenerar el cerebro
Esta investigación constituye un paso clave para lograr comprender cómo se comunican las neuronas y otras células cerebrales, además de profundizar en aspectos desconocidos de las sinapsis. Todo esto podría ayudar a identificar nuevos tratamientos destinados a combatir afecciones neurológicas y psiquiátricas.
Papel de los mensajeros moleculares en las sinapsis
Se sabe que las células nerviosas del cerebro humano se comunican entre sí conformando conexiones llamadas sinapsis. En las sinapsis se liberan moléculas con el propósito de enviar señales a la siguiente célula, creando así una red compleja que hace posible determinadas funciones.
A medida que se deterioran más circuitos o redes de sinapsis, la forma en que las personas desarrollan sus habilidades de pensamiento o realizan las tareas diarias cambia por completo, disminuyendo la calidad de sus respuestas. Con el paso del tiempo, esto desemboca en trastornos cognitivos como la demencia o puede propiciar patologías de raíz mental y consecuencias psicosociales, como la ansiedad.
“Traducir” el ARN para activar las sinapsis
El avance de los científicos se sustenta en la identificación de algunas de las bases moleculares que condicionan a los marcadores genéticos, los cuales desempeñan un papel central en la activación de las sinapsis, ya que trabajan como «mensajeros», enviando señales para poner en marcha o detener todos estos procesos.
La función de las células nerviosas y las sinapsis está fuertemente condicionada por las proteínas que se elaboran utilizando información codificada en material genético, concretamente en el denominado ARN o ácido ribonucleico.
El ARN se coloca exactamente en el lugar preciso y el momento indicado para la señalización sináptica, gracias a algún tipo de “etiqueta” que trabaja como un “mensajero”, para lograr activar la sinapsis correcta. Si se agregan determinadas moléculas al ARN, concretamente los llamados grupos metilo, todo este mecanismo de relojería que facilita las sinapsis puede verse modificado.
El mecanismo de plasticidad sináptica
Los científicos han descubierto que la adición de grupos metilo puede influir en las proteínas que se unen al ARN y detener la producción de proteínas, vital para la dinamización de las sinapsis. Sin embargo, al mismo tiempo el marcador de ARN se puede invertir en las sinapsis y, de esta forma, actuar como una “etiqueta sináptica” que da vía libre al desarrollo de las redes y conexiones, aumentando las funciones cerebrales relacionadas.
Como contrapartida, la modificación o inversión de los marcadores puede ser útil para agilizar las sinapsis y hasta “regenerar” funciones que el cerebro ha dejado de realizar. En consecuencia, el desarrollo de las técnicas indicadas podría derivar en nuevas estrategias terapéuticas, que logren mejorar las condiciones negativas relacionadas con las patologías neurodegenerativas, entre otras posibilidades.
Sinapsis artificiales para un nuevo cerebro
Un equipo de investigadores de la Universidad Hebrea de Jerusalén en un estudio, publicado en Cell Systems de diciembre 2020, demuestra que es posible reemplazar conexiones neuronales dañadas con la introducción de sinapsis diseñadas sintéticamente y podría ser el paso inicial hacia la reparación genética del cerebro humano.
Es sabido que las sinapsis o conexiones entre las neuronas son básicas para el establecimiento de las redes neuronales que hacen posible concretar las diferentes funciones cerebrales, como por ejemplo aquellas ligadas a la memoria o el aprendizaje. Cuando se produce un daño cerebral por cualquier causa o se hacen presentes los síntomas de una enfermedad neurodegenerativa, una de las primeras manifestaciones es la pérdida de las sinapsis o conexiones neuronales.
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| El gusano C. elegans podría tener la clave para la recuperación genética de circuitos cerebrales dañados |
Los neurocientíficos diseñaron una red neuronal sintética destinada a reemplazar circuitos dañados en los gusanos C. elegans translúcidos, obteniendo la recuperación de las funciones perdidas. En este caso, el objetivo era recuperar la sensibilidad olfativa perdida por un daño cerebral.
El camino genético
Este nuevo estudio abre una ruta potencial para abordar el daño cerebral desde otro punto de vista, tanto en el caso de efectos físicos directos como traumas o derrames cerebrales o frente a enfermedades neurológicas.
Por otro lado, los investigadores destacaron que, aunque la especie elegida para el estudio posee un sistema nervioso muy simple, es una excelente alternativa considerando que se trata de un organismo multicelular que comparte distintas similitudes con el ser humano.
En conclusión, creen que algún día será factible aplicar terapias genéticas basadas en el cableado sintético del cerebro humano como posibles tratamientos para enfermedades y daños cerebrales devastadores.
En lo sucesivo los especialistas realizarán pruebas más profundas del impacto biológico de las conexiones neuronales insertadas genéticamente, además de aplicar el enfoque a otros circuitos neuronales y a otros organismos.
Ingenieros diseñan sinapsis artificial para hardware
La sinapsis artificial fue diseñada de tal manera que se puede controlar con precisión la fuerza de una corriente eléctrica que fluye a través de ella, similar a la forma en que los iones fluyen entre las neuronas. El equipo ha construido un pequeño chip con sinapsis artificiales, hecho de silicio germanio. En las simulaciones, los investigadores encontraron que el chip y sus sinapsis se podían utilizar para reconocer muestras de escritura a mano, con una precisión del 95 por ciento.
El diseño es un paso importante hacia la creación de chips neuromórficos portátiles de bajo consumo para su uso en el reconocimiento de patrones y otras tareas de aprendizaje.
El cerebro sintético es la nueva frontera de la Inteligencia Artificial
La finalidad es utilizar un hardware evolutivo para crear un “cerebro encarnado” en un cuerpo mecánico capaz de imitar la habilidad de los seres vivos para modificar su comportamiento de acuerdo con la experiencia adquirida.
De momento el cerebro sintético es sólo una hipótesis que deja abierta la pregunta de si se desea realmente construirlo y, de ser así, la cuestión de si se debería hacerlo.
Papel del Sueño en la Neuroplasticidad
Cuando estamos despiertos, aprendemos constantemente, entonces sabemos que muchos espacios sinápticos se están potenciando. Esto es algo que gasta mucha energía y como es limitada, el cuerpo necesita reducir el exceso de potenciación. Aquí es donde el sueño tiene su papel fundamental, según la teoría más aceptada hasta la fecha: la hipótesis de la Homeostasis sináptica.
Homeostasis significa equilibrio, por lo que esta hipótesis propone que la principal función del sueño es restaurar el equilibrio de los espacios sinápticos, es decir, disminuir la potenciación que ocurre durante el día.
Pero reducir la potenciación es como olvidar lo aprendido, parece no tener sentido. Sin embargo, la vuelta al equilibrio durante el sueño no ocurre en todas las neuronas por igual, sino que se produce de forma selectiva. Aquellas sinapsis que se fortalecen más durante el día, se protegerán y se debilitarán menos, y las sinapsis que se han fortalecido menos, se debilitarán mucho más.
La selección específica durante el sueño para debilitar las sinapsis garantiza la supervivencia de los circuitos “más aptos”.
Estas características pueden explicar los beneficios del sueño en la memoria
Adquisición de la memoria. Uno de los principales efectos del sueño es incrementar la capacidad de adquirir nuevos recuerdos. Con la vuelta al equilibrio producida por el descanso, tenemos más energía disponible para aprender más al día siguiente.
Extracción de las ideas. Las neuronas que contienen recuerdos más perdurables y complejos, como reconocer las caras, sufren reactivaciones puntuales durante el sueño, para prevenir su debilitación.
Integración. Cuando un recuerdo nuevo encaja con los esquemas que ya teníamos aprendidos, también se protegerán activándose durante el sueño.
Olvido. Los recuerdos de detalles sin importancia se debilitan, para dejar espacio libre, como si se tratara de una computadora.
* El aprendizaje se produce por una potenciación de las sinapsis, donde el sueño parece tener un papel vital en su regulación, disminuyendo la potenciación.
* Esta disminución de la potenciación sucede de forma específica y selectiva.
* Los beneficios que aporta el sueño en los diferentes campos de la memoria son: la adquisición, la consolidación, la extracción de ideas, la integración y el olvido.
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