PLASTICIDAD DEL SISTEMA NERVIOSO

L . M . GARCIA-SEGURA *

El problema de la plasticidad morfologica y funcional dei sistema nervioso ha atra ido la atencion de numerosos investigadores desde hace mucho tiempo. Este concepto es utilizado por los investigadores y por los clnicos que se preo-cupan dei problema de la regeneracin de funciones en el sistema nervioso 4 5 . Tambin ha servido, en el siglo pasado, para elaborar teorias sobre la me-mria y el funcionamiento dei c rebro 3 8 . Actualmente sabemos algo ms que entonces sobre lo que en realidad consiste la "plasticidad" neuronal y muchas de aquellas teorias no estan de acuerdo con nuestros conocimientos actuales. Sin embargo hoy, con nuestros nuevos conceptos sobre la plasticidad, podemos explicar una parte dei funcionamento dei sistema nervioso.

Sabemos actualmente que Ias neuronas presentan ciertos grados de plas-ticidad morfologica, fisiolgica y molecular. La intencin de este trabajo es la de dar una vision de conjunto sobre los ltimos descubrimientos en este campo.

Phisticidad morfologica Son ya clasicas Ias experincias realizadas en la Universidad de Berkeley que demonstraron que. cuanto mayor es el nmero de estimulaciones que recibe un animal mayor ser el peso de su corteza cere-bral 1 . V o . Ms recientemente se ha demonstrado que Ias neuronas de la cor-teza visual y dei cuerpo geniculado lateral presentan mayor o menor nmero de dendritas, de ramificaciones dendrticas y de espinas dendrticas segn que los animales reciban ms o menos estimulaciones luminosas 3 . 1 0 . 1 4 . 1 5 . ; { 5 ' 1 1 4 t , M . Igualmente se ha demostrado que en Ias ratas privadas de lz se pro-duce una disminucin en el nmero de sinapsis en ciertas capas de la corteza visual y en el ncleo geniculado la teral 4 . 1 1 .

En ratas privadas de aferencias somticas o visuales se produce un au-mento en el nmero de espinas dendrticas de Ias neuronas de la corteza au-ditiva. Esto puede ser interpretado como una consecuencia del uso mayor que la rata ciega o sin tacto hace dei sentido de la audicin y por consiguiente de los centros auditivos 4 2 .

Todas estas experincias demuestran que el desarrollo morfolgico dei c-rebro continua tras el nacimiento y es infludo por la informacin que recibe. Pero ademas, Ias modificaciones morfolgicas de Ias neuronas frente a Ias es-timulaciones que llegan a ellas estan asociadas a modificaciones fisiolgicas y bioqumicas.

Instituto Cajal, C.S.I.C., Madrid, Espaa.

Plasticidad fisiolgica Hoy en dia est generalmente admitido y as se puede leer en muchos lbros de fisiologa y de psicologia fisiolgica, que los re-flejos monosinpticos estan ms facilitados cuanto ms utilizados hayan sido. Como se sabe, este concepto proviene de los trabajos de Eccles y sus colabora-dores 8 . 9 . Eccles, f undandose en sus propias experincias, ha elaborado la teoria de que el uso favorece la transmisin sinptica Por el contrario esta puede estar disminuida por la falta de uso 7 .

Otro fenmeno de plasticidad fisiolgica es la habituacin de los reflejos medulares. Puede encontrarse bastante informacin critica sobre Ias experin-cias de Eccles y sobre la habituacin en Thompson 4 6 .

Recientemente numerosas experincias han demonstrado la existncia de una plasticidad fisiolgica en las neuronas dei sistema visual de algunos ani-mates en ciertas etapas de su vida. Anteriormente hemos visto como numero-sos estdios recientes, que parten fundamentalmente de los trabajos de Val-verde 49> 5 0 , han demostrado que la morfologa de Ias neuronas dei sistema visual puede variar como respuesta a las estimulaciones que Ias neuronas reciben. Tambin han sido realizadas experincias fisiolgicas en el sistema visual que nos ensefian como la fisiologa de Ias neuronas puede variar frente a los est-mulos que reciben del medio. Estos trabajos han demonstrado que el campo receptor de Ias neuronas varia segn los estmulos que a ellas llegan Las neuronas de la corteza visual son binoculares y responden a un amplio margen de estmulos en condiciones normales, sin embargo puede conseguirse que no respondan nada ms que a Ias estimulaciones de un solo ojo, o bien que su campo receptor varie con respecto a la retina, si Ias primeras experincias vi-suales dei animal se alteran convenientemente 2 . 1 2 , 2 2> 2 4> 3 6 . 3 7 4 7 , 5 2 . Un reciente trabajo 5 ha demonstrado que esta plasticidad fisiolgica acontece tambien en los animales adultos. Al mismo tiempo que estas alteraciones fisiolgicas de Ias neuronas, como consecuencia de una informacin visual ms pobre que lo nor-mal, se encuentran tambien alteraciones en el comportamiento 3 4 .

Queda por determinar cual es la base de esta plasticidad fisiolgica de Ias neuronas. Podemos suponer que existe una degeneracin de ciertas conexiones preestablecidas geneticamente, manteniendose solo Ias utilizadas. Otra posibi-lidad es que ocurra la creacin de nuevas conexiones Una tercera alternativa es que no exista variacin en Ias conexiones entre Ias neuronas, si no en la funcionalidad de Ias sinapsis, por ejemplo por una alteracin en la biosntesis del transmisor sinptico. 5 1

Plasticidad molecular La existncia de una plasticidad molecular en el sistema nervioso como adaptacin o como respuesta a Ias condiciones cambian-tes del medio es un hecho que comienza a aclararse.

Muchos trabajos han demonstrado la existncia de diferencias histoqumi-cas entre neuronas de un mismo tipo 1 3 > 1 8 . 1 9 > 32> 3 4 . Esto parece apoyar la hi-ptesis de que existen diferencias en el estado metablico entre unas neuronas y otras, probablemente asociadas con el estado fisiolgico de actividad, o lo que es lo mismo, con la estimulacin o la ausncia de estimulacin reciente. Hydn demostro que Ias neuronas privadas de estmulos presentaban un contenida

ms pobre de RNA que las neuronas que recibian una estimulacin normal 2 1 i 2 5 . Ademas ha sido demostrada la ocurrencia de un cambio en la compo-sicin de Ias bases dei RNA durante el aprendizaje 2 * - 3 1 , 4 S , 4 4 .

Actualmente hay bastantes evidencias de que el sistema RNA-proteinas interviene en el proceso de codificacin de la memria 1 6 > 1 7 . Las neuronas acti-vas tienen una biosntesis proteica ms rpida que Ias neuronas en reposo 3 9 . Ademas se han encontrado cmbios en el metabolismo proteico de Ias neuronas como resultado de la estimulacin. Estas experincias han demonstrado que la adquisicin de informacin se acompaia de un incremento en la biosntesis de RNA y de protenas 1 6 . Estas protenas pueden tener vrios papeles 1 4 entre los que se encuentra precisamente el de acumular la informacin adquirida.

En 1967 se comunico que haba sido posible transferir informacin de una rata a otra inyectando extractos dei crebro de la primera en la segunda 2 0 . Estas experincias fueron repetidas muchas veces y Ungar lleg, tras un largo trabajo, a asislar la molcula responsable de este fenmeno que result ser un polipeptido 4 8 . Como la informacin transferida fu la de huir de la oscuridad el polipeptido fu denominado escotofobina- La estructura de la escotofobina ha sido ya descifrada y su efecto ha sido verificado en muchos animales y en nume-rosas ocasiones 1 6 . 1 7 . El hecho de que la informacin pueda codificarse en po-lipeptidos es una prueba de lo que supone la plasticidad molecular dei crebro. El sistema nervioso es capaz de adaptarse al medio extreno mediante la bio-sntesis de polipeptidos que guardan la informacin y que ordenan Ias respuestas apropriadas cuando se produce una situacin similar a la original.

Hasta aqui hemos visto como la plasticidad dei sistema nervioso se ma-nifiesta tanto a nivel morfolgico y fisiolgico como a nivel molecular.

La experincia puede modificar el metabolismo proteico, produciendo la biosntesis de protenas que codifican la informacin y que regulan el compor-tamiento futuro.

El campo receptor de Ias neuronas varia tambien en respuesta a la expe-rincia, ya sea por modificacin morfolgica de sus dendritas, o bien por la modificacin funcional de sus sinpsis. Las neuronas se adaptam morfolgica y fisiologicamente conforme a Ias estimulaciones que reciben. A fn de cuentas son capaces de exhibir una plasticidad biolgica Como consecuencia de esta plasticidad tienen lugar muchos fenmenos que son estudiados por los psic-logos.

Uno de estos fenmenos es el aprendizaje Cuando se produce en los me-canismos que regulan la plasticidad un defecto, ocurre una alteracin patol-gica.

R E S U M E N

En este trabajo se revisan los conocimientos ms recientes sobre el fen-meno de la plasticidad del sistma nervioso, tanto a nivel morfolgico como a nivel fisiolgico y molecular. Se estudian los cambios morflogicos y fisiolgicos

de las neuronas frente a la experiencia Tambien se considera la adaptacin molecular del sistma nervioso a la informacin que recibe como la base de todo tipo de plasticidad.

S U M M A R Y

Plasticity of the nervous system: a review

The most recent knowledge about the phenomenon of the nervous system plasticity are revised, as much in morphological as in physiological and molecular levels. The neuron morphological and physiological changes opposite to the experience are studied. The nervous system molecular adaptation to the information it receives as the base of all type of plasticity is also considered.

R E F E R E N C I A S

1 . B E N N E T T , E . L . ; D I A M O N D . M . C ; K R E C H , D . & R O S E N Z W E I G , M . R . Chemical and anatomical plasticity of brain. Science 146:610, 1964.

2 . B L A K E M O R E , C . & M I T C H E L L , D . E . Environmental modification of the visual cortex and the neural basis of learning and memory. Nature 241:467, 1973.

3 . C O L E M A N , P . D . & RIESEN, A . H . Environmental efects on cortical dendritic fields. J . A n a t . 102:365, 1968.

4 . CRAGG, B. G . The effects of vision and dark-rearing on the size and density of synapses in the lateral geniculate nucleus mesured by electron microscopy. Brain Res. 13:53, 1969.

5 . C R E U T Z F E L D T , O . D . & H E G G E L U N D , P. Neuronal plasticity in visual cortex of adult cats after exposure to visual patterns. Science 188:1025, 1975.

6 . D I A M O N D , M . C ; L A W , F . ; RHODES, H . ; L I N D E R , B . ; R O S E N Z W E I G . M . R . ; K R E N C H , D . & BENNETT, E . I . Increases in cortical depth and glia numbers in rats subjected to enriched environment. J. Comp. Neurol. 128:117, 1966.

7 . ECCLES, J. C . The nature of central inhibition. Proc. Roy. Sic. Section B . 153:445, 1961.

8 . ECCLES, J , C . & M c I N T Y R E . A . K . The effects of the use and of inactivity of mammal ian spinal reflexes. J. Physiol. 121:492, 1963.

9 . ECCLES, R . M . & W E S T E R M A N , R . A . Enhanced synaptic function due to excesive use. Nature 184:460, 1969.

1 0 . F I F K O V , E . Changes in the visual cortex of rats after unilateral deprivation. Nature 220:379, 1968.

1 1 . F I F K O V , E . The effect of monocular deprivation on the synaptic contacts of the visual cortex. J. Neurobiol. 1:285, 1970.

1 2 . F R E E M A N , R . D. & P E T T I G R E W , J. D . Alteration of visual cortex from environmental asymetries. Nature 246:359, 1973.

1 3 . GARCA-SEGURA, L . M . The use of tannin-iron method as a nervous system general stain technique. Trab. Inst. Cajal 66, 1974.

1 4 . GARCA-SEGURA, L . M . Cambios estructurales en el cerebro frente a la experiencia y su relacin con la memoria y el aprendizaje. Arch. Neurohiol. 37:561, 1974.

1 5 . G A R C A - S E G U R A , L . M . Regulacin ejercida por la experiencia en el de sarrollo cerebral: revisin. Rev. Psiquiatria y Psicologia Medica 12:49, 1975.

1 6 . G A R C A - S E G U R A , L . M . La base molecular de la memoria y el aprendizaje. Rev. Neurologia 3:73. 1975.

1 7 . G A R C I A - S E G U R A , L . M . Papel de Ias protenas en la memoria. Arch. Neu robfol. 1975. En prensa.

1 8 . GARCA-SEGURA, L . M . & D I A Z - G O N Z A L E Z , P. Etude sur le spcificit his tochimique de la mthode tanno-ferrique. Ann. Histochim. 20:173. 1975.

19 . GARCIA-SEGURA, L . M . : M A R T I N E Z - R O D R I G U E Z , R . ; T O L E D A N O , A . ; de AGUSTN, M . & R O D R I G U E Z - G O N Z A L E Z , C . Investlgacin histoqumica de fosfolipidos y esteres triglicridos simples en cerebelo de reta. Trab. Inst. Cajal 6(3. 1974.

2 0 . G A Y , R . & RAPHELSON, A . "Transfer of learning" by injection of brain R N A : a replication. Psyehonomir Sri. 8:369, 1967.

2 1 . H A M B E R G E R , C . A . & H Y D N , II. Production of nucleoproteins in the ves-tibular ganglion. A d a olo-laring. Suppl. 75:53, 1949.

2 2 . HIRSCH, II . V . B. & SPINELLI. D . N . Visual experience modifies distri-bution of horizontally and vertically oriented receptive fields in cats. Science 1968:869. 1970.

23 . HIRSCH, 11 . V . B . & SPINELLI, D . N . Modification oi the distribution of receptive field orientation in cats by selective visual exposure during development. Exp. Brain Res. 12:509, 1971.

2 4 . HUBEL, D . II. & W I E S E L , T . N . The period of susceptibility to the phy-siological effects of unilateral eye closure in kittens. J. Physiol. (London) 206:419, 1970.

2 5 . I IYDN, H . Satellite cells in the nervous system. Sci. A m . 205:62. 1961. 26 . H Y D N . H . & E G Y H A Z I , E . Nuclear RNA changes of nerve cells during

a learning experiment in rats. Proc. Nat. Acad. Sci. (Washington) 48:1366. 1962. 2 7 . H Y D N . II . & E G Y H A Z I . E . Glial R N A changes during a learning experiment

in rats. Proc. N a t . A c a d . Sci. (Washington) 49:618, 1963. 2 8 . H Y D N , H . & E G Y H A Z I , E . Changes in RNA content and base composition

in cortical neurons of rats in a learning experiment involving transfer of han-dedness. Proc. N a t . Acad . Sci. (Washington) 52:1030, 1964.

29 . HYDfiN, II . & L A N G E , P. W . A differentiation in RNA response in neurons early and late during learning. Proc. Nat . Acad. Sci. (Washington) 53:946. 1965.

3 0 . H Y D N , I I . & L A N G E , P. W . - - A genie stimulation with production of adenine uracil rich R N A in neurons and glia in learning. Naturwiss. 53:64, 1966.

3 1 . H Y D N , H . ; L A N G E , P. W . ; M I H A I L O V I C , J. J. & PETROVIC-MINIC, B . Changes of R N A base composition in nerve cells of monkeys subjected to visual discrimination and delayed alternation performance. Brain Res. 65:215, 1974.

3 2 . M A R T I N E Z - R O D R I G U E Z , R . ; GARCA-SEGURA, L . M . ; T O L E D A N O , A . : G O N -Z A L E Z , M . ; G A M O N A L , A . ; DE AGUSTIN. M . ; D I A Z - G O N Z A L E Z , 6 . & RODKI G U E Z - G O N Z A L E Z , C . Investigation of acid mucosubstances in rat cerebellum. Ann. Histochim. 20, 1975.

3 3 . M A R T I N E Z - R O D R I G U E Z , R . : T O L E D A N O , A . ; GARCIA-SEGURA. L . M . ; G O N -Z A L E Z . M . ; G A M O N A L , A . ; D I A Z - G O N Z A L E Z , P . ; D E AGSTIN, M . & RO-D R I G U E Z - G O N Z A L E Z , C . Mucopolysaccharides in hypothalamic neurons of the rat. J. Anat. 1975, en prensa.

3 4 . MUIR, D . W . & M I T C H E L L , D . E . Behavioral deficits in cats following early selected visual exposure to contours of a single orientation. Brain Res. 85:459, 1975.

3 5 . P A R N A V E L A S . J. G . : GLOBUS, A . & KAUPS, P. Changes in lateral ge-niculate neurons of rats as a result of continuous exposure to light. Nature new biol. 245:287, 1973.

3 6 . P E T T I G R E W , J. D . ; OLSON, C . & B A R L O W , II . B . Kitten visual cortex: shortterm stimulus-induced changes in connectivity. Science 180:1202. 1973.

3 7 . P E T T I G R E W , J. D . ; OLSON, C . & HIRSCH. H . V . B . Cortical cifect of s e -lective visual experience: degeneration or reorganization? Brain Res 51:343. 1973.

38 . R A M N Y CAJAL, S. Histologie du Systme Nerveux de l 'Homme et des Vertbrs, Vol. 2. C. S. I. C. Instituto Cajai. Madrid, 1 9 7 2 .

39 . ROSE, S. P. R . Changes in visual cortex on first exposure of rats to light. Nature 215:253, 1967.

4 0 . R O S E N Z W E I G H , M . R . ; BENNETT, E . L . & D I A M O N D , M . C. Brain changes in response to experience. Sci. A m . 226:22, 1972.

4 1 . RUIZ-MARCOS, A . & V A L V E R D E , F . The temporal evolution of the distri-bution of dendritic spines on the visual cortex of normal and dark raised mice Exp. Brain Res. 8:284, 1969.

4 2 . RYUGO, D . K . ; RYUGO, R . ; GLOBUS, A . & K I L L A K E Y , H . P. Increased spine density in auditory cortex following visual or somatic deafferentiation Brain Res. 90:143, 1975.

43 . SHASHOVA, V . E . RNA changes in goldfish brain during learning. Nature 217:238, 1968.

44 . SHASHOVA, V . E . R N A metabolism in goldfish brain during acquisition of new behavioral patterns. Proc. Nat. Acad. Sci. (Washington) 65:160, 1970.

4 5 . STEIN, D . G . ; ROSEN, J. J. & BUTTERS, N . Plasticity and recovery of function in the central nervous system. Academic Press, New York, 1974.

46 . THOMPSON, R . F . Fundamentos de Psicologia Fisiolgica. Verso castelha-na. Editorial Trillas, Mxico, 1974.

47 . T R E T T E R , F . ; C Y N A D E R , M . & SINGER, W . Modification of direction selec-tivity of neurons in the visual cortex of kittens. Brain Res. 84:143, 1975.

48 . U N G A R , G. Evidence for molecular coding of neural information. In H . P . Zippel (Ed.) Memory and Transfer of Informatinon. Plenum Press. New York, 1973.

49 . V A L V E R D E , F . Apical dendritic spines of the visual cortex and light depri-vation in the mouse. Exp. Brain Res. 3:337, 1967.

5 0 . V A L V E R D E , F . Rate and extent of recovery from dark rearing in the visual cortex of the mouse. Brain Res, 33:1 . 1971.

5 1 . V A N HOF, M . W . Retinal input and early development of the visual system. Docum. ophthal (Den Haag) Proc. Series, 4:495, 1974.

5 2 . V A N SLUYTERS, R . C . & B L A K E M O R E , C . Experimental creation of unsual neuronal properties in visual cortex of kitten. Nature, 246:506, 1973.

53 . V O L K M A R , F . R . & GREENOUGH, W . T . Rearing complexity affects branch-ing of dendrites in the visual cortex of the rat. Science 176:1445, 1972.

Instituto Cajal C. S. I. C. Calle Velazquez, 144 Madrid-6 Espaa.