¿Cómo se desarrolla el mecanismo de plasticidad a lo largo del ciclo vital?

Introducción

La plasticidad cerebral puede ser conceptualizada como un invento natural para superar las limitaciones del genoma y adaptarnos rápidamente a los cambios ambientales. Este mecanismo es un propiedad intrínseca del cerebro que permanece a lo largo de la vida. Sin embargo, no permanece constante sino que experimenta diferentes cambios a lo largo del desarrollo. 

La plasticidad como una propiedad intrínseca del cerebro humano

El mundo en el que vivimos cambia rápidamente. Los inputs aferentes y eferentes demandan que el cerebro cambie rápidamente para implementar estos cambios genéticos o epigenéticos. La plasticidad cerebral representa una propiedad intrínseca del sistema nervioso. Esta propiedad que permite realizar modificaciones en la función y estructura en respuesta a las demandas ambientales. Modificaciones que se realizan a través del fortalecimiento, la debilitación, la poda o la adición de conexiones sinápticas así como la promoción de neurogénesis. Hecho que, nos permite establecer el cerebro como un órgano dinámico que se encuentra en continuo cambio. Consecuencia de las demandas ambientales a las que se enfrenta.

¿Qué es?

La plasticidad es esencial para establecer y mantener los circuitos cerebrales, puede ser esencial para la adquisición de nuevas habilidades o para la adaptación después de una lesión, pero también puede ser el principio de los síntomas de una enfermedad. Una baja plasticidad puede hacer que el cerebro sea incapaz de adaptarse a los cambios ambientales, mientras que una alta plasticidad puede hacer nuestro cerebro inestable, comprometiendo como consecuencia las funciones cognitivas. El cerebro se encuentra altamente interconectado.

La plasticidad permite que los cambios que se producen en un área concreta sean compensados en otra región, evitando de esta forma los cambios a nivel comportamental. Sin embargo, asimismo, cambios a nivel local pueden producir circuitos desadaptativos y dar lugar a trastornos neuropsiquiátricos. De esta forma, medidas tempranas de la plasticidad cortical podrían proporcionar biomarcadores de trastornos neuropsiquiátricos. La variabilidad de la plasticidad sináptica viene dada por distintos puntos de partida y de diferentes patrones de declive, que dependen de factores genéticos, ambientales y de la interacción de ambos. Esta variabilidad puede dar lugar a un desarrollo normal o patológico.

La determinación empírica de cada declive individual de la plasticidad a lo largo de la vida es posible mediante TMS, EEG y fMRI. Estos métodos pueden mejorar los predictores de riesgo individual de declive cognitivo relacionado con la edad, los biomarcadores diagnósticos de trastornos neurodegenerativos y del desarrollo, y permitir intervenciones basadas en modulación de plasticidad (rTMS) y optimizar la situación para cada individuo.

Cambios plásticos a lo largo de la vida: Modelos animales y evidencia indirecta en humanos

Los primeros estudios sobre la plasticidad sináptica y su correlación con la edad provienen de los estudios llevados a cabo por Barnes en la década de los setenta, en los cuales demostró la relación existente entre el declive en este mecanismo y la edad, así como su correlación con diferentes déficits neurocognitivo. Por ejemplo, se comprobó que la PLP inducida en el hipocampo de animales mayores, decaía más rápido y esto correlacionaba con una mayor tasa de olvido. Asimismo, también se comprobó que un desequilibrio entre PLP y DLP daba lugar a déficits en la memoria y el aprendizaje.

Sin embargo, a pesar de los resultados encontrados en los modelos animales, la evidencia en humanos es indirecta. Se llama evidencia indirecta porque proporciona información sobre las consecuencias de la plasticidad, no sobre el proceso en sí. Algunas investigaciones han demostrado que la plasticidad sináptica se reduce un 0,5% al año, lo cual afecta a diferentes sistemas neuronales, como por ejemplo el sistema motor y visual.

Por otro lado, las investigaciones realizadas con el tensor de difusión de imagen han demostrado que en las conexiones fronto-estriales se produce una reducción del proceso de mielinización a lo largo del desarrollo. Existen cambios neuronales durante la realización de tareas cognitivas asociados con la edad. Los estudios transversales con humanos han demostrado la aparente tendencia a activar el córtex bilateral frontal más anterior (en oposición a posterior) en ancianos durante ciertas tareas cognitivas. De acuerdo con los estudios de neuroimagen se observa una actividad cerebral menos localizable y mas bilateral durante este tipo de actividades en ancianos. Se ha teorizado que estos cambios son fruto de las estrategias realizadas por éstos con el fin de compensar déficits asociados con el envejecimiento normal. 

Evidencias directas del cambio de plasticidad en humanos a lo largo del desarrollo

La combinación de estas técnicas nos permite comprobar en tiempo real los cambios en plasticidad que se producen a lo largo de la vida. En estudios preliminares con TBS, se ha comprobado la pérdida de plasticidad progresiva en la corteza motora con la edad, siendo la duración del efecto de la TBS inversamente proporcional a la edad del sujeto. Este hecho podría estar asociado con la disminución de la función motora y manual (mayor tiempo de reacción) en el envejecimiento normal, y con los déficits en el aprendizaje motor. Sin embargo, no se han realizado estudios combinados para observar el cambio plástico de áreas no motoras.

Ventajas de la estimulación magnética transcortical en modelos animales

La investigación con animales presenta ciertas ventajas en comparación con los estudios con humanos, ya que permite analizar los cambios neuroquímicos provocados por la TMS, analizar los cambios plásticos a lo largo del desarrollo, además de servir como medida unificadora entre la investigación con animales y humanos para facilitar la traducción clínica.Sin embargo, en este tipo de investigaciones también existen algunas limitaciones.

Las limitaciones de los estudios con ratas derivan del uso de TMS coils, ya que los coils normalmente han sido diseñados para humanos, por lo que su uso en ratas da lugar a una gran cantidad de corriente eléctrica que puede activar más regiones corticales y subcorticales, lo que hace difícil su interpretación. También, que para evitar activación muscular es necesario anestesiarlos, lo que puede dificultar la acción original de la TMS. A pesar de las limitaciones, en los últimos años se ha avanzado en este campo y se ha reconocido finalmente la utilidad de la TMS como medida de la plasticidad en animales, lo que es un gran avance para que se reconozcan como fiables a partir de ahora los estudios realizados en estos animales.

Diferencias individuales en la plasticidad

Volviendo a los humanos, está claro que cada persona tiene una evolución única de la plasticidad. En esta evolución, intervienen factores genéticos y ambientales. Entre estos factores encontramos los mecanismos genéticos y epigenéticos, los factores hormonales, la morbilidad y las experiencias personales.

El rol de las diferencias genéticas

El gen BDNF (factor neurotrófico) juega un importante papel en la neuroplasticidad. Contiene un polimorfismo Val66Met que se ha comprobado que modula de forma diferencial la plasticidad cortical y la respuesta al entrenamiento cognitivo y al aprendizaje motor. El portador de este polimorfismo tiene mayor susceptibilidad a padecer demencia en edades avanzadas. La APOE alelo 4 influye en las redes neuronales a gran escala y contribuye al fenotipo clínico de la enfermedad de Alzheimer. También se ha comprobado que los genes que codifican los receptores de glutamato y GABA, así como el sistema de señalización de calcio, disminuyen su expresión con la edad. Algunos genes se han considerado candidatos para los TEA, ya que contribuyen a la migración neuronal, al desarrollo de espinas dendríticas, y a la plasticidad en general.

El rol del medioambiente y de las experiencias personales

Los factores ambientales actúan a través de mecanismos epigenéticos. Los más relevantes son el ejercicio físico, el cual tiene un gran poder sobre la plasticidad a lo largo de la vida; la nutrición, posiblemente porque una buena nutrición implica también proceder de una cultura avanzada que a su vez puede modificar la plasticidad. La inteligencia, la cual parece compartir parte de los genes con la plasticidad.Una alta inteligencia puede contribuir a construir una buena reserva cognitiva, la cual permite que las funcionas se mantengan o se deterioren más lentamente. Incluso en pacientes con Alzheimer con alta educación hay un riesgo bajo de padecer demencia, lo que se puede deber a mecanismos plásticos compensatorios adaptativos subyacentes a la enfermedad. 

Patología y plasticidad

Si en algún momento de muestra vida se nos presenta un acontecimiento (gen o ambiente) que altere la plasticidad de una región cerebral, otras regiones pueden modular su plasticidad para compensar el daño, lo que puede desencadenar tanto en respuestas adaptativas y mejoramiento del daño o en una cadena de respuestas desadaptativas que conduzca a una demencia o a deterioro cognitivo. Se ha comprobado en deportistas atletas con historia de conmociones cerebrales un deterioro de la plasticidad. También se ha demostrado la reorganización de la conectividad funcional tras un ictus, que aunque inicialmente puede ser adaptativo, puede en último lugar limitar la compensación plástica adaptativa durante el envejecimiento.

Trastorno del Espectro Autista

Se vio que estos pacientes poseen una excesiva plasticidad comparado con los controles. Además, el retorno a la línea base correlacionaba con el mejor desempeño en tareas de aprendizaje motor.

Enfermedad de Alzheimer

Además de comprobar una depresión a largo plazo muy por debajo del grupo control, se encontró una respuesta disminuida en el protocolo de estimulación asociativa pareada. Con rTMS a altas frecuencias se vio que el potencial evocado motor disminuía progresivamente mientras que aumenta en los controles. Conclusión, la potenciación a largo plazo disminuida, al igual que la depresión a largo plazo.

Conclusiones

El cerebro cuenta con plasticidad a nivel local y global que deben estar en un fino equilibrio. A lo largo de la vida este balance va cambiando complementándose siempre entre sí. Cuando somos mayores, la plasticidad a nivel global se relaciona con la reserva cognitiva y va compensando los déficits locales que vamos sufriendo como consecuencia de la edad. Déficits en estas redes compensatorias dan lugar a deterioro cognitivo, demencia o trastornos del neurodesarrollo. Las medidas tempranas y a lo largo de la vida de la plasticidad individual podrían servir de biomarcadores para predecir el riesgo a padecer determinados trastornos, así como para medir el impacto genético y ambiental sobre la plasticidad individual.

Referencias bibliográficas

1. Pascual-Leone, A., Freitas, C., Oberman, L., Horvath, J. C., Halko, M., Eldaief, M., … & Vahabzadeh-Hagh, A. M. (2011). Characterizing brain cortical plasticity and network dynamics across the age-span in health and disease with TMS-EEG and TMS-fMRI. Brain topography, 24(3-4), 302.