Aferentes colinérgicas al locus coeruleus y noradrenérgicas al septo

Aferentes colinérgicas al locus coeruleus y noradrenérgicas al septo medial
intervienen en el reforzamiento de la LTP en el giro dentado por estimulación de la
amígdala.
Jorge A. Bergado ( jorge.bergado@infomed.sld.cu), Sabine Frey, Jeffrey López, William
Almaguer-Melian, Julietta U. Frey
Centro Internacional de Restauración Neurológica, La Habana, Cuba
Introducción
La potenciación sináptica duradera (LTP) es una forma de plasticidad neural que
representa un mecanismo celular común a muchas formas de aprendizaje y está ganando
reconocimiento como posible mecanismo de recuperación funcional después de daño al
cerebro.
La importancia de factores afectivos (motivación, emociones) para la consolidación de la
memoria está bien establecida sobre bases empíricas y sustentada por una extensa
investigación animal. Esta modulación afectiva es mediada por estructuras límbicas,
como la amígdala.
Una modulación semejante afecta la adquisición de habilidades motoras y la recuperación
de las funciones mentales en pacientes con infartos cerebrales, así como la formación de
memoria en animales con lesión cerebral provocada. De modo que la modulación
afectiva pudiera ser considerada como un mecanismo universal, no restringido a una
forma particular de plasticidad o región del cerebro.
La LTP puede ser también modulada por factores afectivos. Un ejemplo de esto es la
trasformación de una LTP temprana en una LTP tardía con una duración mayor de 4
horas, por la acción de un acto conductual de alto valor motivacional. Este reforzamiento
conductual (BR) de la LTP es mediado por la síntesis de proteínas y depende de la
función de la BLA como se demostró en experimentos usando animales con inactivación
temporal permanente de esta estructura límbica1, 2. Además, estimulando la BLA dentro
de una ventana temporal específica, antes o después de la inducción de la LTP empleando
un tétanos moderado (BLA-R, ver Métodos) mimetiza los efectos del reforzamiento
conductual 3. En otras palabras, un efecto de reforzamiento puede ser obtenido
estimulando la BLA (BLA-R). El efecto de reforzamiento de la BLA sobre la LTP en el
giro dentado (DG) parece implicar la inervación aferente noradrenérgica y colinérgica.
Esto sugiere la participación del locus coeruleus (LC) y el septo medial (MS) en estos
procesos por cuanto son las fuentes principales de inervación noradrenérgica y
colinérgica al DG. En este sentido, recientemente hemos demostrado que la LTP en el
DG puede ser reforzada por estimulación de MS y el LC.
Sin embargo, en nuestros estudios farmacológicos previos los antagonistas fueron
aplicados intracerebroventricularmente (icv), por lo que surge la pregunta de dónde en el
cerebro se originan los efectos farmacológicos observados. En este trabajo utilizamos un
método de aplicación tópica de antagonistas en las estructuras de interés: el DG, la BLA,
el LC y el MS. Los resultados sugieren la existencia de un circuito funcional para BLA-R
que involucra aferentes colinérgicas al LC, una proyección noradrenérgica desde el LC al
DG y al MS y, finalmente, la proyección colinérgica del MS al DG.
Materiales y métodos
Se emplearon ratas Wistar macho que pesaban entre 250-300 g (8 semanas de edad) al
inicio del estudio. Después de la cirugía los animales fueron colocados en cajas plásticas
translúcidas individuales con acceso libre al agua y los alimentos y condiciones
ambientales controladas (12 luz/oscuridad, temperatura y humedad) durante todo el
experimento.
Las ratas fueron anestesiadas con Nembutal (40 mg/Kg, ip) y montadas en un marco
estereotáctico. La preparación estándar incluyó la implantación de un electrodo
monopolar de acero inoxidable para registro en el giro dentado (DG), un electrodo
bipolar de acero inoxidable en la vía perforante medial (PP) y un electrodo monopolar en
la amígdala basolateral (BLA). Cánulas de guía para la inyección de sustancias fueron
colocadas en el locus coeruleus (LC), el septo medial (MS), la BLA o el DG.
Una semana después de la cirugía los animales fueron probados y habituados a la cámara
de registro por no menos de 4 h. Se construyó una curva estímulo-respuesta estimulando
la PP (100-800 A) para determinar la intensidad de estimulación que sería usada en cada
animal (40% de la espiga poblacional máxima).
Los experimentos fueron realizados al día siguiente. El diseño general incluyó el registro
de una línea de base durante 1 h seguidos por la inducción de una LTP temprana por un
tétanos débil a la PP. Diez minutos después del tétanos se aplicaron las sustancias
tópicamente en el LC, el MS, la BLA o el DG. La BLA fue estimulada 15 minutos
después de la inducción de la LTP (es decir, 5 minutos después de la administración de
sustancias ) usando un patrón idéntico al tétanos débil. El curso temporal de la LTP fue
seguido por 8 horas con registros cada 15 minutos. Un registro adicional fue hecho 24 h
después de la tetanización.
El protocolo de tétanos débil empleado para inducir la LTP en las sinapsis PP-DG y para
estimular la amígdala consistió en 3 trenes de 15 impulsos cada uno a 200 Hz (pulsos
cuadrados bifásicos de 0.2 ms). El intervalo entre trenes fue de 10 s. El mismo patrón fue
empleado para estimular la BLA usando una corriente constante de 400 A.
Al finalizar los experimentos los animales fueron perfundidos por vía transcardiaca con
formalina bajo narcosis con Nembutal. Los cerebros fueron extraídos y post-fijados. Se
hicieron cortes de 400 m por congelación de rebanadas contentivas de las regiones de
interés que fueron teñidas con azul de toluidina. La localización de las cánulas fue
estimada por inspección directa del daño local en el tejido circundante. Los animales que
mostraron una localización errónea de la cánula o el electrodo fueron rechazados y no
considerados para el análisis grupal final.
Resultados
El análisis histológico nos permitió seleccionar solo aquellos animales que mostraron un
emplazamiento correcto de las cánulas.
La admnistración de atropina en el DG produjo un bloqueo de las fases tardías de la
potenciación reforzada por estimulación de la amígdala (BLA-R) lo que se expresó en un
decrecimiento retardado de la LTP, que comienza a las 4-5 horas y alcanzó significación
a las 7-8 horas después de la inducción de la LTP (ANOVA). El propranolol también
mostró una influencia negativa sobre BLA-R, pero ese efecto fue mucho más temprano y
aparentemente bifásico. El nivel de potenciación después de BLA-R en el grupo de
propranolol estuvo reducido significativamente 1-2 horas y a las 7-24 horas después de la
inducción.
La inyección de lidocaina en el LC abolió el efecto reforzador de estimular la amígdala
sobre la LTP en el DG. Diferencias significativas entre los grupos se aprecian desde las 2
horas. La administración de atropina tuvo efectos semejantes mientras que el propranolol
no tuvo efectos.
La inactivación de el MS por aplicación tópica de lidocaina causó el bloqueo del efecto
reforzador de la BLA sobre la LTP en DG mostrando un declinar de la potenciación que
difiere de los controles con salina. La administración tópica de propranolol en esta
estructura causó un declinar muy rápido y sostenido de la LTP, mientras que la atropina
en esta estructura no tuvo efecto.
Discusión
Nuestros resultados indican que tanto la aplicación tópica de propranolol como de
atropina en el DG bloquean los efectos reforzadores de estimular la amígdala (BLA-R).
Estos resultados son, en términos generales, similares a los reportados previamente por
nuestro grupo con administración intracerebroventricular de atropina y propranolol, y
sugieren que los efectos antagónicos de ambas sustancias se deben, al menos en parte, a
una acción directa en el DG. Sin embargo, en el caso del propranolol el efecto es mucho
más rápido cuando la sustancias se aplica directamente al DG. La diferencia en el tiempo
en que la inervación noradrenérgica y la colinérgica interfieren con BLA-R sugieren que
la NA es requerida para mantener una fase intermedia de la LTP, que vincula la E-LTP
con la L-LTP mientras que la acetilcolina actúa aparentemente sobre mecanismos
involucrados en fases más tardía. Esto también pudiera explicar nuestros resultados
previos con aplicación de agonistas de NA y ACh sobre la LTP, y que mostraron que la
epinefrina fue capaz de mimetizar BLA-R, mientras que un agonista muscarínico
(oxotremorina) fue incapaz de provocar ese efecto 4. La falta de acción del agonista
muscarínico puede depender de la necesidad de una activación previa de las proyecciones
noradrenérgicas al DG. Estos resultados sugieren la participación del LC y el MS (el
origen de la inervación con NA y ACh al DG) en BLA-R, lo cuál se ve sustentado por los
resultados de la aplicación directa de ambas sustancias en ambos blancos.
Un LC funcional parece necesario para BLA-R, por cuanto la inactivación de LC abole
el reforzamiento de la LTP en DG. Este efecto es mediado por aferentes colinérgicas por
cuanto la atropina en el LC provoca un bloqueo semejante. Aferentes noradrenérgicas a
este lugar no parecen importantes considerando la falta de efecto del propranolol. Sin
embargo, la participación de otras aferencias al LC no puede ser descartada. Una cautela
semejante se requiere en relación con la especificidad de las sustancias aplicadas al LC.
Considerando la pequeña talla de esta estructura y el volumen inyectado, la posibilidad de
una difusión parcial fuera del blanco no puede descartarse. Sin embargo, en este caso la
sustancia alcanzaría primero la región periLC que contiene las dendritas periféricas de las
neuronas del LC y que es, funcionalmente, una zona receptiva del LC.
El LC es la fuente principal de inervación noradrenérgica al cerebro anterior y la
formación del hipocampo, pero no recibe en si mismo proyecciones noradrenérgicas.
Esto puede explicar la ausencia de efecto del propranolol aplicado a esta estructura sobre
BLA-R. El LC recibe aferentes desde la amígdala central, principalmente en la región
peri LC, pero esta proyección no parece contener fibras colinérgicas. Se han descrito
proyecciones colinérgicas al LC desde núcleos cercanos de tronco encefálico, como el
núcleo pedúnculo pontino, o el núcleo tegmental laterodorsal que forman contactos
dendro-dendrítico en el LC y la región periLC. Aparentemente, el fuerte efecto de
desconectar el LC con lidocaina, o la administración tópica de atropina es mediada por
una proyección indirecta desde la BLA hacia alguna de esas regiones posibles, desde
donde se origina la proyección colinérgica al LC. Las implicaciones funcionales de la
proyección colinérgica sobre la actividad del LC no está bien caracterizada, aunque
nuestros resultados sugieren una acción activadora y moduladora.
De modo semejante, un MS funcional en el momento de estimular la BLA parece
necesario para lograr el reforzamiento; considerando los resultados de su inactivación con
lidocaina. Sin embargo, en esta estructura los efectos parecen mediados por aferentes
noradrenérgicas y no por fibras colinérgicas, porque el propranolol en este sitio abole
totalmente BLA-R, mientras que la atropina no tuvo efecto. El LC envía una fuerte
proyección noradrenérgica al MS que forma sinapsis con las neuronas colinérgicas en el
cerebro basal anterior y que proyectan a la corteza y el hipocampo.
Nuestros resultados pueden ser interpretados dentro de un marco funcional (ver figura) en
el cuál la activación de la BLA refuerza la LTP en el DG mediante una activación
colinérgica indirecta del LC, quien envía una proyección noradrenérgica al DG,
importante para mantener el estado de potenciación en la transición entre la E-LTP y la
L-LTP. Adicionalmente, el LC proyecta al MS y activa la proyección colinérgica de este
al hipocampo, cuya actividad parece responsable de la consolidación de la L-LTP.
También pudiera existir una activación del MS por proyecciones directas desde la BLA.
El conjunto de sinapsis aminérgicas-colinérgicas pudieran ser parte de un sistema neural
extendido involucrado en la modulación afectiva de la plasticidad.
Tal sistema neural también tiene sentido en condiciones fisiológicas. La información
sensorial es distribuida desde el tálamo hasta la corteza y la amígdala. Desde campos
corticales de orden superior la señal alcanza la corteza entorrinal desde donde es
transferida al DG y almacenada temporalmente por mecanismos de plasticidad a corto
plazo (por ejemplo una E-LTP). La misma información es procesada en paralelo por el
sistema límbico (representado por la BLA) el cuál, mediante el sistema neural antes
descrito, refuerza los mecanismos de almacenamiento (modulación) convirtiendo la ELTP en una L-LTP. Nótese que partes del sistema pueden ser activadas de forma
independiente en otras circunstancias. Por ejemplo una señal sensorial fuerte puede
activar al LC como parte del sistema atencional lo cual podría tener resultados similares
sobre los cambios plásticos que ocurre en las sinapsis responsables del almacenamiento
de la memoria. Estamos conscientes de que los componentes del circuito aquí presentado
muy probablemente estén incompletos. Se ha descrito que el sistema neural que controla
el ritmo theta incluye otros núcleos como el del rafe en el tronco encefálico y el núcleo
supramamilar del hipotálamo.
Finalmente, los efectos reforzadores de factores afectivos y estructuras sobre la
neuroplasticidad no se restringe a la LTP en el giro dentado. Existen reportes que
demuestran el papel esencial de la proyección colinérgica del cerebro basal anterior sobre
la plasticidad cortical en áreas sensoriales y motoras. Recientemente, hemos demostrado
que la estimulación de la BLA acelera los cambios plásticos implicados en la adquisición
de una habilidad motora 5. Esto pudiera significar que el sistema neural que proponemos
para explicar el reforzamiento de la LTP en el giro dentado puede actuar sobre otras
formas de plasticidad en amplias zonas corticales. Se necesitan otros estudios para
confirmar el sistema hipotético que aquí proponemos, así como para completar la lista de
estructuras y transmisores involucrados en la modulación afectiva de la neuroplasticidad.
Conclusiones
Existe un Sistema Neural de Reforzamiento de procesos de plasticidad sináptica que
es activado por la amígdala.
El locus coeruleus y su proyección noradrenérgica al septo medial, así como la
proyección colinérgica septo-hipocampal, son componentes importantes en el Sistema
Neural
de Reforzamiento de procesos de plasticidad sináptica.
6. Recomendaciones
Estudiar la posible participación de otras estructuras cerebrales profundas y
neurotransmisores como el núcleo del rafé (serotonina) y el núcleo accumbens en el
Sistema Neural de Reforzamiento de la plasticidad sináptica.
Referencias bibliográficas
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stimulation of the basolateral amygdala improves the acquisition of a motor skill. Restor.
Neurol. Neurosci. 24, 115-121 (2006).
Representación esquemática del sistema neural de reforzamiento de
la LTP en el giro dentado del hipocampo (hippocampal formation).
Thalamus: tálamo; Sensory inputs: ingresos sensoriales;
norepinephrine: noradrenalina. Explicación en el texto