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Microsistemas de neuronas (Aplysia)
Los modelos animales pueden servir para desentrañar cómo interaccionan los sistemas de neuronas que dan lugar al comportamiento.
Funciones que tienen su origen en las interacciones neuronales → aprendizaje: capacidad de modificar el comportamiento en respuesta a una experiencia; y memoria: capacidad de almacenar dicha modificación durante un período de tiempo.
Estudiar el aprendizaje humano de forma reducida en modelos neuronales simples.
Determinan a qué nivel filogenético de organización neuronal y de comportamiento podemos comenzar a reconocer aspectos de los procesos de aprendizaje y memoria típicos del comportamiento humano.
El hombre posee habilidades de orden intelectual, lenguaje altamente desarrollado y capacidad para el pensamiento abstracto, posibilidades que no hallamos en animales más simples y que presumiblemente precisan tipos de organización nerviosa cualitativamente diferentes.
Los términos de la cuestión son si el cerebro y la conducta humana participan de algo en común con el cerebro y la conducta de animales menos evolucionados. Allí donde encontremos rasgos similares pueden hallarse implicados principios de organización cerebral común, que podrán ser objeto de provechoso estudio en sistemas nerviosos simples.
La semejanza de algunos procesos de aprendizaje pone de manifiesto que los procesos nerviosos involucrados en un proceso determinado de aprendizaje pueden compartir rasgos comunes a lo largo de la filogenia. Así, no existe ninguna diferencia fundamental, a nivel de estructura, química o función, entre las neuronas y sus sinapsis de los seres humanos y las correspondientes del calamar, el caracol o la sanguijuela –invertebrados más simples: sus sistemas constan de 10.000 a 100.000 células. Las células se agrupan en conjuntos discretos denominados ganglios: c/ ganglio contiene normalmente e/ 500 y 1500 neuronas. Esta simplificación numérica nos ha permitido relacionar la función de las células singulares directamente con el comportamiento-.

1912, parásito intestinal Ascaris → unicidad de las neuronas → el cerebro de este animal está formado por varios ganglios, halló que contenían 162 células. El guarismo no variaba nunca de un individuo a otro, y cada célula ocupaba siempre una posición característica. Medio siglo después, trabajando con el gran caracol marino, Aplysia, dieron con una uniformidad similar, aunque menor, en los sistemas nerviosos más complejos de estos invertebrados superiores.
En el ganglio abdominal de Aplysia las neuronas varían en tamaño, posición, forma, pigmentación, patrones de descarga y sustancias químicas a través de las cuales transmiten información a otras células. A partir de estas divergencias, pueden reconocerse y denominarse células específicas.
Científicos han observado que las células siempre realizan el mismo tipo de conexión con otras células. La uniformidad se aplica también al “signo”, o expresión funcional, de las conexiones, es decir, si son excitadoras o inhibidoras.
La primera célula examinada demostraba que la neurona regulaba las diferentes acciones a través de sus distintas conexiones. La célula excitaba unas células contiguas, inhibía otras y tenía una conexión doble, que era tanto excitadora como inhibidora con respecto a una tercera clase de célula. Además, la neurona excitaba siempre y de un modo preciso a las mismas células, inhibía siempre a otro grupo específico y establecía pertinazmente la conexión doble con el tercer grupo celular. Su acción sináptica podía explicarse por medio de una sustancia transmisora: la aceticolina. La reacción de este compuesto con los distintos tipos de receptores de las células contiguas determinaba si la acción sináptica iba a ser excitadora o inhibidora.
Los receptores determinaban el signo de la acción sináptica mediante el control de los distintos canales iónicos de la membrana: sodio para la excitación, cloro para la inhibición. Las células que recibían una conexión doble tenían dos tipos de receptor para el mismo transmisor: un receptor que controlaba el canal de sodio y otro que controlaba el canal de cloro. La expresión funcional de la transmisión sináptica química estaba determinada, pues, por los tipos de receptor que la célula contigua representaba en un determinado lugar postsináptico.
El transmisor químico es tan sólo permisivo; el componente instructivo de la transmisión sináptica es la naturaleza del receptor y los canales iónicos con los que interaccionan. Se ha demostrado que este principio tiene una aplicación bastante general. Se cumple para las neuronas de vertebrados e invertebrados y para las neuronas que utilizan distintos transmisores.
El descubrimiento en los ganglios de invertebrados de células identificables que establecían conexiones precisas con otras condujo a la elaboración de “diagrama reticular” de los distintos circuitos de comportamiento, y, con ello, al estudio exacto de la relación causal entre neuronas específicas y el comportamiento.
 Descubrieron que las células individuales controlaban el comportamiento, de una manera específica y, a veces sorprendentemente, poderosa.
Puesto que las células, consideradas en su singularidad, establecen conexiones de forma invariable con las mismas células adyacentes y pueden desarrollar acciones que tengan un signo distinto, deduciremos que ciertas neuronas de un lugar crítico del sistema tienen en sus manos el control absoluto de una secuencia de comportamiento. Ya en 1938, Wiersma, se había percatado de la importancia de esas células únicas en el comportamiento y las había denominado “células de mando”.
Una misión funcional de la célula de acción doble es desencadenar múltiples y diferentes efectos fisiológicos.
El hallazgo de que el comportamiento está mediatizado por células invariables, que se interconectan con fina precisión y constancia, podría sugerir que los animales sencillos difieren de los más complejos en poseer repertorios de actividad fijos y estereotipados. Pero eso no es cierto. Investigaciones llevadas a cabo en varias especies de invertebrados han demostrado que los animales simples pueden modificar su comportamiento a través del aprendizaje.
Siguiendo esta línea, han profundizado en una de las exhibiciones más sencillas del comportamiento de Aplysia: el reflejo de defensa, que retrae la branquia ante un estímulo. La branquia se halla en una cámara respiratoria denominada cavidad del manto. La cámara está cubierta por una capa protectora, el repliegue del manto, que termina en un conducto carnoso, el sifón. Cuando un estímulo débil o moderadamente intenso se aplica al sifón, la branquia se contrae y se retrae en la cavidad del manto. El reflejo es análogo a la respuesta de retraimiento observada en casi todos los animales superiores. Aplysia y otros animales presentas dos formas de aprendizaje con esos reflejos: HABITUACIÓN y SENSIBILIZACIÓN.
Habituación
Consiste en un DESCENSO EN LA INTENSIDAD DE LA RESPUESTA conductual que se produce cuando un estímulo, en un principio nuevo, se presenta repetidamente.
Cuando a un animal se le presenta un estímulo nuevo, su primera respuesta será combinación de los reflejos de orientación y defensa. Con estimulaciones reiteradas, el animal aprende pronto a reconocer el estímulo en cuestión. Si éste no comporta recompensa o resulta inocuo, el animal restringirá, y acabará por suprimir, la respuesta. Por medio de la habituación, los animales, seres humanos incluidos, aprenden a hacer caso omiso a estímulos que han perdido su novedad o significación. La habituación les permite prestar atención a los estímulos recompensadores o importantes para la supervivencia. Se cree que constituye el primer proceso de aprendizaje que aparece en los niños y suele acudirse a ella para investigar el desarrollo de procesos intelectuales como la atención, la percepción y la memoria.
Entre los vertebrados, un aspecto interesante de la habituación es que da origen a la memoria de corto y de largo plazo.
¿Dónde se localizan y cuáles son los mecanismos de la habituación a corto plazo?
El circuito nervioso que controla la retracción de la branquia es bastante sencillo. Un estímulo en la piel del sifón activa las 24 neuronas sensitivas allí ubicadas: éstas establecen conexiones directas con las seis células motoras de la branquia, y las células motoras directamente con el músculo. Las neuronas sensitivas también excitan varias interneuronas que son neuronas interpuestas.
Examinando el comportamiento de esas células durante el proceso de habituación, observamos que, a corto plazo, ésta implicaba un cambio en la fuerza de conexión entre las neuronas sensitivas y sus células diana centrales (las interneuronas y las neuronas motoras). Ahora podíamos analizar qué pasaba durante la habituación con sólo examinar los cambios en dos células (la neurona sensitiva presináptica y la neurona motora postsináptica) y en el conjunto de conexiones entre ellas.
La fuerza de una conexión puede estudiarse registrando la acción sináptica producida en las células motoras por una única neurona sensitiva. Y podemos simular la sesión de entrenamiento de habituación de 10 a 15 estímulos a través de la estimulación de una neurona sensitiva siguiendo la secuencia temporal exacta empleada con el animal intacto. Los estímulos pueden ajustarse para que generen un único PA. La primera vez que se induce a la neurona a que descargue un PA, produce una acción sináptica muy eficaz que se manifiesta como un potencial postsináptico excitador en la célula motora. Los PA subsiguientes iniciados en la neurona sensitiva durante una sesión de entrenamiento dan lugar a potenciales postsinápticos excitadores progresivamente más pequeños. Esta mengua de eficacia (o depresión) de la conexión es paralela, y explica, la habituación conductual. Como ocurría en el comportamiento, la depresión sináptica resultante de una única sesión de entrenamiento persiste durante más de una hora. Después de una segunda sesión de entrenamiento, se observa una depresión más pronunciada del potencial sináptico, y al reincidir en tales ensayos terminaremos por deprimir completamente el potencial sináptico.
¿Qué causa los cambios en la intensidad de la conexión sináptica? ¿Implican un cambio en la neurona sensitiva presináptica al reflejar un descenso de la liberación de sustancia transmisora, o bien un cambio en la célula postsináptica, al reflejar un descenso en la sensibilidad de los receptores al transmisor químico?
El transmisor no se libera en forma de moléculas individuales, sino como “cuantos” (paquetes multimoleculares). Cada paquete contiene aprox. la misma cantidad de transmisor (varios miles de moléculas). Se cree que los cuantos se almacenan en órganos subcelulares denominados vesículas sinápticas, que se observan en abundancia en los pies terminales sinápticos examinados al microscopio eléctrico. Puesto que un número de moléculas de transmisor por cuanto suele ser uniforme, el número de cuantos liberados en cada PA nos puede servir de índice de la cantidad total de transmisor liberado. Cada cuanto produce a su vez un diminuto potencial postisináptico excitador, de una magnitud característica, en la célula postsináptica. La magnitud señala cuán sensibles son los receptores postsinápticos a los varios miles de moléculas de transmisor que se libera en cada paquete.
Trabajando con Aplysia, descubrieron tramos que el descenso, en la amplitud del PA sináptico, con la habituación corría paralelo al descenso en el número de cuantos químicos liberados. Por el contrario, la magnitud del potencial postsináptico mínimo no cambió: ello ponía de manifiesto que no hubo cambio en la sensibilidad del receptor postsináptico. Los resultados muestran que el lugar de la habituación a corto plazo se sitúa en las terminales presinápticas de las neuronas sensitivas y que el mecanismos de habituación consiste en un descenso progresivo en la cantidad de transmisor liberado por los pies terminales de las neuronas sensitivas en sus células diana centrales.
¿A qué se debe el descenso en el número de cuantos liberado por cada PA? El número está fundamentalmente determinado por la concentración de calcio libre en la terminal presináptica. El calcio constituye una de las tres especies de iones que intervienen en la generación de cada PA en la terminal axónica. La onda ascendente de despolarización del PA se produce, fundamentalmente, por el flujo de entrada de iones de sodio en la terminal, aunque también concurre un flujo menor y retardado de iones de calcio. La onda descendente de la repolarización viene ocasionada, en gran parte, por un flujo de salida de iones potasio. El flujo de entrada del calcio es esencial para la liberación del transmisor. Se cree que el calcio posibilita que las vesículas sinápticas se unan a los lugares de liberación en las terminales presinápticas. Esta unión es un paso crítico previo a la exocitosis. Parece verosímil, pues, que la cantidad de calcio que entra en las terminales con cada PA no es fijo, sino variable, y que la cantidad podría venir regulada por la habituación.
La corriente de calcio empieza lentamente durante el PA y así, normalmente, queda solapada por la corriente de potasio. Para descubrir la corriente de calcio, expusieron el ganglio a tetraetilamonio (TEA), un agente que bloquea selectivamente parte de la corriente retrasada del potasio. Al bloquear la acción repolarizadora de la corriente de potasio, el agente aumenta notablemente la duración del PA. Esta prolongación se debe, en parte significativa, a que no existe acción antagónica de la corriente de calcio. La duración del PA prolongado por el TEA constituye un buen ensayo para cambios en la corriente de calcio.
Ahora: examinan la liberación del transmisor por los pies terminales de las neuronas sensitivas que se medía a partir de la magnitud del PA en la célula motora y los cambios registrados simultáneamente en la corriente de calcio, que se calculaban a partir de la duración del PA.
La estimulación repetida de la neurona sensitiva, a una tasa en que se producía habituación, resultaba en una disminución progresiva de la duración del componente calcio del PA, que corría paralela al descenso en la liberación del transmisor. La recuperación espontánea del potencial sináptico y del comportamiento iba acompañada, a su vez, de un incremento en la corriente de calcio. Los mecanismos de habituación a corto plazo entrañan una modulación en la intensidad de la conexión sináptica. La fuerza de la conexión está determinada por la cantidad de transmisor liberado, que, a su vez, depende del grado en que un PA de la terminal presináptica puede activar la corriente de calcio. El almacenamiento de la memoria de habituación a corto plazo reside, por consiguiente, en la persistencia, durante minutos y horas, de la depresión de la corriente de calcio en la terminal presináptica.

La habituación a corto plazo implica un descenso pasajero en la eficacia sináptica, en tanto que la habituación a largo plazo produce un cambio más prolongado y profundo, desencadenando una disrupción funcional de la mayoría de las conexiones eficaces anteriores. Los datos (1) proporcionan una prueba directa de que un caso específico de memoria a largo plazo puede ser explicado por un cambio a largo plazo en la eficacia sináptica, (2) muestran que se necesita escaso entrenamiento para producir un cambio profundo en la transmisión sináptica de las sinapsis implicadas de un modo destacado en el aprendizaje y (3) establecen que las habituaciones a corto y largo plazo pueden compartir un lugar neuronal común, a saber, la sinapsis que las neuronas sensitivas establecen con las neuronas motoras. Las habituaciones a corto y largo plazo también entrañan aspectos del mismo mecanismo celular: una depresión de la transmisión excitadora. Queda por determinar si la depresión sináptica a largo plazo es presináptica y si supone una inactivación de la corriente de calcio.
Sensibilización
El reforzamiento prolongado de la respuesta preexistente de un animal a un estímulo como resultado de la presentación de un estímulo nocivo. La sensibilización requiere que el animal aprenda a prestar atención al estímulo porque éste va acompañado de consecuencias dolorosas o peligrosas en potencia.
Descubrieron que la sensibilización entrañaba una alteración de la transmisión sináptica allí donde residía la habituación, a saber: en las sinapsis que las neuronas sensitivas establecen con sus células diana centrales. Las neuronas que regulan la sensibilización finalizan en las proximidades de las terminales sinápticas de las neuronas sensitivas y aumentan la liberación de transmisor al elevar el número de cuantos liberados por cada PA en las neuronas sensitivas. De ahí que el proceso se designe como facilitación sináptica. Su interés radica en que muestra que las neuronas poseen receptores de transmisores en dos lugares totalmente distintos. Los receptores del cuerpo celular y de las dendritas determinan si una célula debe desencadenar un PA y los receptores de las terminales sinápticas determinan cuánto transmisor hay que liberar en cada PA.
Las terminales presinápticas de las neuronas sensitivas pueden regularse, por tanto, de manera opuesta por formas de aprendizaje antagónicas. A raíz de una actividad intrínseca que ocurre en el interior de la neurona durante la habituación el lugar puede deprimirse, y puede excitarse (facilitarse) mediante la sensibilización a resultas de la actividad de otras neuronas que establecen sinapsis en los pies terminales.
Observaron que la sensibilización invertía el comportamiento deprimido. Además, las sinapsis cuya función había quedado bloqueada (y que habrían permanecido así durante semanas) se restablecieron en el intervalo de una hora merced a un estímulo sensibilizador en la cabeza.
Así pues, hay en el cerebro rutas sinápticas que están determinadas por procesos de desarrollo, pero que, contando con su predisposición al aprendizaje puede inactivarse y reactivarse en su función a través de la experiencia. En estas sinapsis modificables se necesitan muchos entrenamientos o experiencias para producir cambios profundos.

Un descubrimiento más: Relación entre la serotonina y el mensajero intracelular, el adenosín monofosfato cíclico (AMP cíclico). Se sabía que la mayoría de las hormonas peptídicas no penetraban en la célula diana, sino que actuaban en un receptor de la superficie de la célula para activar un enzima denominado adenilatociclasa que cataliza la conversión de la célula en adenosín trifosfato (ATP) en AMP cíclico, éste actúa entonces como un 2do mensajero (la hormona del 1er mensajero) en diferentes puntos del interior celular para iniciar una serie de cambios apropiados en la función. Hallaron que al operar una estimulación fuerte y prolongada en la vía que desde la cabeza regula la sensibilización en Aplysia, se originaba un incremento modulado sinápticamente en el AMP cíclico de todo el ganglio. Encontraron también que podían generar un prolongado incremento en el AMP cíclico si incubaban el ganglio con serotonina. Inyectaron AMP cíclico intracelularmente en el cuerpo celular de la neurona sensitiva; descubrieron que producía también facilitación presináptica, mientras que la inyección de 5’-AMP (el producto resultante de la degradación del AMP cíclico) o la del otro segundo mensajero, el GMP cíclico, no la producía.
Puesto que la habituación comportaba un descenso en la corriente de calcio, parecía razonable pensar que el AMP cíclico podía ejercer su acción de facilitación incrementando dicho flujo iónico. La corriente de calcio suele quedar solapada por la corriente de potasio. Klein y Kandel examinaron los PA en las neuronas sensitivas con la corriente de potasio reducida por el TEA. Si estimulaban esa vía, desde la cabeza, que regulaba la sensibilización, o bien una simple neurona facilitadora, aumentaba el flujo de calcio, como quedaba de manifiesto por el incremento de la duración del PA con TEA, aumento que persistió durante 15’ o más. El incremento de la corriente de calcio anduvo paralelo al aumento de la liberación de transmisor; y ambos cambios sinápticos, fueron, a su vez, paralelos al incremento de la respuesta refleja al estímulo de sensibilización.
El aumento de flujo de calcio, tal como se aprecia en la prolongación de este componente iónico del PA tras estimular la vía de sensibilización, podría producirse por aplicación extracelular de serotonina o de las otras 2 sustancias que incrementan el nivel intracelular de AMP cíclico. Sobre esta base experimental Klein y Kandel propusieron que la estimulación de las neuronas facilitadoras de las vías de sensibilización resultaba en la liberación de serotonina, que activa un enzima sensible a la serotonina en la membrana del pie terminal de la neurona sensitiva. El incremento correspondiente de AMP cíclico en el pie terminal conlleva una mayor activación del flujo de calcio, ya sea directamente por activación del canal de calcio o indirectamente por un descenso en la corriente de potasio opuesta. Con cada PA, el flujo de entrada de calcio se agranda y se libera más transmisor.

Conclusiones:
El tamaño grande de las células de Aplysia puede tomarse como un espléndido dato a favor de que se exploren los mecanismos bioquímicos y subcelulares involucrados en el aprendizaje y los posibles cambios registrados en la estrctura de la membrana.
Habrá que observar con mayor precisión cómo el incremento de concentración del AMP cíclico, durante la sensibilización, se halla relacionado con la activación de la corriente de calcio, pues esa concatenación podría significar el primer peldaño en la comprensión molecular de esa sencilla forma de aprendizaje a corto plazo.
Desarrollo y aprendizaje implican cambios funcionales en el SN: cambios en la eficacia de las sinapsis y otras propiedades de las neuronas.

La sensibilización suele presentarse como una forma precursora del condicionamiento clásico. Tanto en la sensibilización como en el condicionamiento clásico, la respuesta refleja ante un estímulo se refuerza como resultado de la activación de otra vía. La sensibilización difiere del condicionamiento en que no es asociativa: el estímulo sensibilizador se muestra eficaz al reforzar la respuesta refleja, esté o no aparejado en tiempo con el estímulo reflejo.