El código de la circulación neuronal: cómo se desplazan las neuronas y navegan las fibras nerviosas

Desde sus orígenes más remotos, el hombre se ha interesado por comprender el mundo que le rodea y la naturaleza de sus interacciones constantes con ese mundo. Tales interacciones son posibles gracias a la interfase que representa el cerebro y por ello el misterio de cómo funciona el sistema nervioso ha apasionado y al mismo tiempo inquietado, al ser humano. El aforismo: "conócete a ti mismo", ha sido el acicate que ha impulsado a los científicos de todas las épocas a intentar desentrañar los enigmas del funcionamiento cerebral.

Nuestras investigaciones se han llevado a cabo en el campo de la neurobiología del desarrollo, uno de las áreas más activas y fecundas de la neurociencia actual. Su objetivo general es tratar de comprender cómo a partir de células que aparecen precozmente en el embrión, después de varias divisiones repetidas del huevo fecundado, se crea la extraordinaria diversidad celular y la complejidad que caracterizan la organización de los circuitos neuronales. En los últimos veinte años, la revolución que ha representado la biología molecular ha permitido avances tan espectaculares en el campo de la Neurobiología del Desarrollo que la finalidad última de nuestras investigaciones: comprender los mecanismos que explicarían la emergencia de la complejidad del cerebro, parece estar finalmente a nuestro alcance. Es necesario destacar una y otra vez, que el gran avance conseguido hasta este momento se ha debido sobre todo al estudio de dos modelos genéticos animales que, aunque estén muy distantes del hombre, evolutivamente hablando, se han revelado como organismos perfectos para el análisis genético: la mosca del vinagre, la Drosophila y un gusano de tierra, el Caenorhabditis elegans. El estudio de estos organismos ha permitido caracterizar numerosos genes que intervienen en el desarrollo del sistema nervioso y demostrar que dichos genes se han conservado a lo largo de la evolución, puesto que sus homólogos existen también en los mamíferos. Así la estrategia genética elaborada por moscas y gusanos para construir sus sistemas nerviosos, es muy similar a la empleada para la construcción de nuestros propios cerebros.

Nuestras investigaciones están centradas en el estudio del desarrollo del cerebelo, un centro nervioso de organización aparentemente simple, implicado en el control de la motricidad y del equilibrio, y al que se han atribuido también otras acciones relacionadas directamente con las funciones cognitivas. Durante el desarrollo precoz embrionario, una vez especificados los diversos territorios del tubo neural (que darán lugar a las diferentes estructuras del encéfalo), las neuronas del sistema cerebeloso (cerebelo y núcleos precerebelosos bulbares, así llamados porque sus neuronas proyectan al cerebelo) se generan en epitelios germinativos de la pared del tubo neural de las regiones llamadas metencéfalo y rombencéfalo, y se desplazan a través del parénquima del sistema nervioso embrionario, hasta alcanzar sus emplazamientos definitivos en el cerebro adulto. Las distancias recorridas durante estos desplazamientos pueden ser grandes, de un orden de magnitud miles de veces superiores al diámetro celular de las neuronas en migración. Simultáneamente o algo más tarde, la prolongación funcional de las neuronas, llamada fibra nerviosa o axón, experimenta un crecimiento rápido a través del complicado parénquima nervioso, hasta alcanzar sin errores los territorios terminales, donde se arboriza y dirige hacia sus neuronas diana, con las cuales establecerá conexiones funcionales específicas, dando lugar así al desarrollo ordenado de los circuitos neuronales. Cada población neuronal migra y envía sus axones por rutas estereotipadas que le son propias.

Cajal fue el primero que se interesó en tratar de elucidar los mecanismos que gobernaban la migración neuronal y la "navegación" de los axones durante sus desplazamientos por el cerebro embrionario. A él debemos el descubrimiento del cono de crecimiento, la extremidad distal del axón que constituye una estructura muy móvil, una verdadera cabeza buscadora que, como en un cohete, explora el entorno celular en busca de 'substancias reclamo' producidas por las neuronas diana que atraen su desplazamiento. Cajal formuló así en 1892 la teoría del "Neurotropismo" como una explicación muy especulativa, del modo en el que las neuronas en migración y los axones en crecimiento encontrarían sus caminos de emplazamiento dentro del sistema nervioso en construcción. La hipotésis neurotrópica, ante la falta de evidencias científicas a su favor, cayó en total desuso durante el primer cuarto del siglo XX.

Nuestros trabajos más recientes, junto a Alain Chédotal, Kim Nguyen-Ba-Charvet y Evelyne Bloch-Gallego, se han orientado a comprender de manera mucho más detallada, cuáles son las moléculas que participan en la orientación de los conos de crecimiento durante el desarrollo del sistema cerebeloso. Hemos pues contribuido a la elaboración de un concepto más moderno de neurotropismo y a la caracterización de las moléculas involucradas en la navegación axonal y la migración neuronal. Estos procesos son complejos, y en ellos intervienen factores locales (moléculas de adhesión y de la matriz extracelular) junto con factores quimiotrópicos, secretados a distancia por dianas intermediarias, que jalonan la ruta seguida por cada categoría de axón hasta encontrar sus células diana. Contrariamente a la hipótesis de Cajal, todos estos factores moleculares, que gobiernan la orientación de neuronas y axones, funcionan siguiendo un sistema binario de atracción y repulsión. El estudio de la Drosophila y de C. elegans ha sido, aquí también, capital para la identificación de las varias familias de moléculas que, como las llamadas Semaforinas y los Slits, así como de sus respectivos receptores, ejercen efectos quimiotrópicos para la construcción del cerebro en general y del sistema cerebeloso, en particular. Un paso importante para confirmar el papel esencial de las moléculas neurótropas en el desarrollo del sistema nervioso central de los mamíferos, ha sido dado recientemente mediante ratones con modificaciones genéticas producidas con la técnica de la recombinación homóloga que permite conseguir la inactivación específica de genes. El empleo de ratones mutantes en los que se inactivó los genes que codifican las moléculas neurótropas y sus receptores nos ha permitido analizar la función de los genes mutados y comprender las de las proteínas invalidadas. Hemos podido demostrar que las mismas señales moleculares que intervienen en la navegación axonal sirven también para orientar la migración neuronal. Nuestro trabajo evidencia que, como en muchos de los procesos capitales que ocurren durante el desarrollo del sistema nervioso, hay: preservación filogenética de los mecanismos de guía y redundancia genética, ya que en la navegación de cada tipo de axón está involucrada no una sino una asociación compleja de moléculas quimiotrópicas. Además, las moléculas guía no son tan sólo diversas, sino que además, cada una de ellas puede ejercer efectos bifuncionales (atracción o repulsión), cuya variabilidad aumenta aún mas dependiendo del receptor que se encuentre en la membrana del cono de crecimiento. Finalmente, las moléculas locales, como son las de la matriz extracelular por donde viaja el axón, pueden modular la respuesta de los conos de crecimiento, simplemente ejerciendo en ellos un control de los niveles de nucleótidos cíclicos.

En 2004, mis colaboradores se han interesado en el estudio del control molecular de la decisión que adoptan las neuronas precerebelosas sobre si cruzar o no la línea media ventral del tallo del encéfalo, durante su migración y crecimento axonal. En la gran mayoría de las especies animales, las mitades derecha e izquierda del sistema nervioso son casi simétricas y están organizadas de manera especular a un lado y otro de un eje longitudinal central llamado línea media. En los vertebrados la "placa del suelo" es una estructura formada por células especializadas, que constituye la parte ventral de la línea media. Una de las primeras decisiones que debe tomar la prolongación axonal de una neurona en crecimiento, es la de si tiene o no que cruzar la línea media. Las neuronas cuyos axones cruzan se llaman comisurales y su axón, una vez que cruza, no podrá hacerlo de nuevo. Las investigaciones genéticas llevadas a cabo en la Drosophila, han permitido descubrir varias moléculas cuya misión es la de controlar el comportamiento de los axones respecto a esa decisión de cruzar o no la línea media. Se ha demostrado que las células que forman la línea media secretan una proteína llamada 'Slit', que se fija sobre un receptor 'Roundabout' ('Robo') anclado en la membrana del cono de crecimiento de algunos axones. La señal emitida como resultado del encuentro de Slit con Robo va a obligar a los axones a alejarse de la línea media sin cruzarla.

En los mamiferos, incluyendo al hombre, se conocen tres proteinas Slits (Slit1-3), todas expresadas en la placa del suelo, y tres receptores Robo (Robo1-3). En ausencia de Slit, la organización de las proyecciones axonales está alterada. En general, los axones que en ratones normales evitan la línea media, tienen un comportamiento opuesto en los ratones deficientes en Slit y si cruzan dicha línea media.

Durante su desarrollo, justo al final de su proliferación, las neuronas precerebelosas salen de sus zonas germinativas y envían prolongaciones que, siguiendo la superficie del tallo encefálico, se dirigen hacia la placa del suelo, la cruzan y prosiguen su navegación hasta entrar en el territorio diana terminal, el hemi-cerebelo contralateral. Muchas de estas neuronas expresan Robo3 (Rig-1) hasta que sus axones o cuerpos celulares han cruzado la línea media. Sin embargo, en ratones deficientes en Robo3, ni las neuronas ni los axones son capaces de cruzar esa línea. Estos resultados son sorprendentes pues hacen de Robo3 un regulador negativo de la actividad inhibidora de Slit, lo que es totalmente inhabitual para un receptor Robo clásico. El modo de actuación de Robo3 es aun hipotético, pero pensamos que podría bloquear la activación por Slit de los otros receptores Robo. La concentración elevada de Robo3 en los axones que se acercan a la línea media, volvería a éstos últimos insensibles a la acción repelente de Slit. Una vez franqueada la placa del suelo, la extinción rápida de la expresión de Robo3 permitiría de nuevo la activación de los otros receptores Robo, obligando así a los axones a alejarse de la línea media.

Nuestros estudios sobre los mecanismos moleculares que intervienen en la guía de la migracion neuronal y del crecimiento axonal nos han permitido determinar cuales son los factores esenciales para que se produzcan estos procesos durante el desarrollo del sistema cerebeloso. La correcta localización de las neuronas y de sus proyecciones funcionales es fundamental para que pueda llevarse a cabo la fase mas importante de éste, es decir, la formación de conexiones funcionales específicas entre neuronas, la llamada sinaptogénesis. La precisión de la información neural generada y transmitida por el cerebelo adulto, depende de la especificidad con que se logren las conexiones sinápticas establecidas durante su desarrollo. Esta especificidad está supeditada, a su vez, a la precisión con la que se desplazan las neuronas por el sistema nervioso en formación y con la que navegan en el mismo sus axones.