UN MODELO NEURONAL Y MOLECULAR DE LA MEMORIA: LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO (PLP) Inmaculada Cubero Talavera

1. UN MODELO NEURONAL Y MOLECULAR DE LA MEMORIA: LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO (PLP) Inmaculada Cubero Talavera Departamento de Neurociencia y Ciencias de la Salud Universidad de Almería

2. TEMA 20. UN MODELO NEURONAL Y MOLECULAR DE LA MEMORIA: LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO (PLP) 1. UNA BREVE INTRODUCCIÓN HISTÓRICA: HIPÓTESIS NEURALES PARA UN FENÓMENO PSICOLÓGICO 2. CARÁCTERÍSTICAS Y FASES DE LA PLP: DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO 3. LA PLP: ¿ MECANISMO DEL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA? 4. EL PSICÓLOGO Y LA PLASTICIDAD NEURAL: PERPECTIVAS DE FUTURO

3. 2. UNA BREVE INTRODUCCIÓN TEÓRICA: HIPÓTESIS NEURALES PARA UN FENÓMENO PSICOLÓGICO S. RAMÓN Y CAJAL: EL AMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN, LA MEMORIA ES UN FENÓMENO FÍSICO QUE OCURRE EN LAS SINÁPSIS ENTRE CÉLULAS D. HEBB: ESTABLECÍA UN MODELO TEÓRICO SOBRE DICHAS MODIFICACIONES. LA POTENCIACIÓN DE LAS CONEXIONES DEPENDIENTES DE CO-ACTIVACIÓN BLISS & LÖMO: PRIMEROS INVESTIGADORES QUE DESCRIBEN UN FENÓMENO DE POTENCIACIÓN DE RESPUESTA DEPENDIENTE DE ACTIVIDAD: LA PLP CARÁCTER ASOCIATIVO HIPOCAMPO

4. 4. DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA PLP: UNAS NOTAS PREVIAS 1. La PLP es un fenómeno de plasticidad dependiente de actividad inherente a la mayoría de las sinapsis excitatorias. 2. Se ha descrito en numerosas regiones: Hipocampo, Córtex, tronco cerebral, médula, cerebelo (DLP). Ocurre in vitro e in vivo 2. No debe entenderse como un proceso unitario. Existen un conjunto de fenómenos de PLP y un conjunto de protocolos experimentales de inducción

5. ¿ QUÉ ES LA PLP? PROTOCOLO PLP: TRENES PULSOS ALTA FRECUENCIA (50-100HZ) CÉLULA 1 CA3 ESTÍMULO CÉLULA 2 CA1 RESPUESTA POTENCIADA NO RESPUESTA

6. LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO EN EL HIPOCAMPO: POTENCIACIÓN DE CA1 TRAS ESTIMULACIÓN DE LA COLATERAL DE SCHAFFER CA3 SCHAFFER COL CA1

7. MONTAJE EXPERIMENTAL REGISTRO COLATERAL SCHAFFER CA1 CA3 PLP EN CA1 HIPOCAMPO PLP LARGO PLAZO Potenciales postsinápticos PLP CORTO PLAZO

8. FORMAS DE POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO CORTO PLAZO (< 30 m) LARGO PLAZO (>1 Hora// Días) NO DEPENDIENTE SÍNTESIS PROTEÍNAS DEPENDIENTE SÍNTESIS PROTEÍNAS

9. FASES DE LA PLP COOPERATIVIDAD INDUCCIÓN INPUT-ESPECÍFICA ASOCIATIVIDAD EXPRESIÓN CONSOLIDACIÓN

10. 4.2. LA FASE DE INDUCCIÓN DE LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO

11. 4.2.1. LA COOPERATIVIDAD: LA NECESIDAD DE UNA SEÑAL INTENSA DURANTE LA FASE DE INDUCCIÓN LA INDUCCIÓN DE PLP PRECISA DE UNA INTENSA DESPOLARIZACIÓN EN LA MEMBRANA POSTSINÁPTICA :EL UMBRAL DE LA PLP PARA ELLO, EL PROTOCOLO EXPERIMENTAL DEBE EMPLEAR LA ESTIMULACIÓN DE UN CONJUNTO DE FIBRAS SIMULTÁNEAMENTE. 4.2.3. INPUT ESPECÍFICIDAD: EL PODER COMPUTACIONAL DE LAS SINÁPSIS

12. 4.2.3. LA ASOCIATIVIDAD: LAS VENTANAS TEMPORALES EN LA INDUCCIÓN DE LA PLP LA ASOCIATIVIDAD COMO FENÓMENO NEUROFISIOLÓGICO: * LA COINCIDENCIA TEMPORAL DE ACTIVIDAD * LOS POTENCIALES DENDRÍTICOS (PD) Y EL RITMO THETA LA ASOCIATIVIDAD COMO FENÓMENO MOLECULAR: * LOS MECANISMOS DE SEÑALIZACIÓN INTRACELULAR: LAS PROTEINQUINASAS Y LAS FOSFATASAS

13. LA ASOCIATIVIDAD COMO FENÓMENO NEUROFISIOLÓGICO COINCIDENCIA DE ACTIVIDADES < 10 ms PRE POST GABA Ritmo Theta POTENCIALES DENDRÍTICOS (PD) PD

14. LA ACTIVIDAD THETA, LA PLP EN EL HIPOCAMPO Y EL APRENDIZAJE ¿ UN MECANISMO DE FILTRADO Y AMPLIFICACIÓN ? MODELO PROPUESTO: EL CONTROL DE LASUSCEPTIBILIDAD A LA INDUCCIÓN DE PLASTICIDAD REGULADA A TRAVÉS DE LA DE LA INHIBICIÓN GABAÉRGICA THETA. SOLO ESTÍMULOS INTENSOS (RELEVANTES) “PASAN” LA BARRERA DE LA INHIBICIÓN DE GABA NEURONAS EN MODO OPERATIVO/NO-OPERATIVO * ACTIVIDAD THETA: 4-12 Hz (interneuronas Theta en el hipocampo) * ASOCIADA TRADICIONALMENTE AL APRENDIZAJE: LA EXPLORACIÓN DE UN ENTORNO NO-FAMILIAR * EN PLP IN VIVO, RESULTA LA FRECUENCIA DE INDUCCIÓN ÓPTIMA * IN VITRO, EL ACOPLAMIENTO DE LOS TRENES EN FASE “POSITIVA” THETA ( PERIODO REFRACTARIO DE LA INTERNEURONA), MAXIMIZA LA PLP: * REFLEJA TRANSMISIÓN INHIBITORIA GABAÉRGICA: ¿ PARADOJA?

15. 4.2.1. LA ASOCIATIVIDAD: LAS VENTANAS TEMPORALES EN LA INDUCCIÓN DE LA PLP LA ASOCIATIVIDAD COMO FENÓMENO NEUROFISIOLÓGICO: LA ASOCIATIVIDAD COMO FENÓMENO MOLECULAR:

16. ELEMENTOS DE UNA SINÁPSIS EXCITATORIA DE GLUTAMATO EN HIPOCAMPO mGLU AMPA NMDA K, Na Pro.G Ca GABA

17. ESTIMULACIÓN EXCITATORIA DE BAJA FRECUENCIA MEMBRANA PRESINÁPTICA * SINÁPSIS DÉBIL * Ca * * * NMDA AMPA K, Na MEMBRANA POSTSINÁPTICA

18. PROTOCOLO PLP ESTIMULACIÓN DE ALTA FRECUENCIA MEMBRANA PRESINÁPTICA RECEPTOR NMDA DETECCIÓN COINCIDENCIA ACTIVIDAD PRE-POSTSINÁPTICA Mg AMPA NMDA K, Na Despolarización ACTIVACIÓN DE CASCADAS DE SEÑALIZACIÓN INTRACELULAR {Ca} MEMBRANA POSTSINÁPTICA

19. EL BALANCE ENTRE PROTEINQUINASAS Y FOSFATASAS PROTEIN-QUINASAS DLP PLP PROTEIN-FOSFATASAS

20. EL BALANCE ENTRE PROTEINQUINASAS Y FOSFATASAS Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ CaMKII ADENILCICLASA CALCINEURINA AMPc CaMKIIp. CaMKIIp. PP1 activa PP1 inact (PO) PKA PLP

21. LA CaMKII EN ESTADO ACTIVO (AUTOFOSFORILADA) QUEDA “ATRAPADA” EN LA PSD LA AUTOFOSFORILACIÓN DE LA CaMKII: EL MANTENIMIENTO DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA INDEPENDIENTE DEL CALCIO Mg mGLU NMDA AMPA PO3 Ca2+ Ca2+ ProG Ca2+ IP3 Na+, K+ CaMKII Calmodulina (CaM) PO3

22. FASE INDUCCIÓN PLP: PRUEBAS EXPERIMENTALES 1. MANIPULACIONES FARMACOLÓGICAS: 3. ESTUDIOS CON CEPAS MANIPULADAS GENÉTICAMENTE

23. FASES DE LA PLP ASOCIATIVIDAD INDUCCIÓN COOPERATIVIDAD INPUT-ESPECÍFICA EXPRESIÓN CONSOLIDACIÓN

24. 4.3. LA FASE DE EXPRESIÓN DE LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO

25. LA EXPRESIÓN DE LA PLP: PERMANENCIA DE UNA RESPUESTA FORTALECIDA EN AUSENCIA DE LA SEÑAL DE CALCIO: MECANISMOS MOLECULARES MECANISMOS POSTSINÁPTICOS MECANISMOS PRESINÁPTICOS CAMBIOS FUNCIÓN Y/O NÚMERO RECEPTORES AMPA AUMENTO EN LA LIBERACIÓN DE GLUTAMATO: SEÑALES RETRÓGRADAS

26. EXPRESIÓN DE LA PLP ¿¿ CO NO AR.A Aumento liberación Glutamato EXPRESIÓN DE SINÁPSIS FORTALECIDA Mg AMPA NMDA K, Na POTENCIAL ACCIÓN CaMKII PO3

27. UN MODELO POSTSINÁPTICO EN LA PLP: PRUEBAS EXPERIMENTALES 1. MEDIDAS NEUROFISIOLÓGICAS: * MEDIDA DE AMPLITUD Y FRECUENCIA DE PPSEm * MEDIDA DE CORRIENTES GLIALES TRANSPORTADORES GLUTAMATO 2. MEDIDAS FARMACOLÓGICAS * ANTAGONISTAS AMPA USO-DEPENDIENTES 3. MEDIDAS BIOQUÍMICAS * MARCAJE DE RECEPTORES ANTES/DESPUÉS PLP: LAS SINAPSIS SILENCIOSAS

28. SINÁPSIS FORTALECIDA PROTEINAS PSD Y LA REORGANIZACIÓN DE LA PSD INSERCIÓN DE NUEVOS RECEPTORES AMPA EN LA PSD CAMBIOS FUNCIONALES EN EL RECEPTOR AMPA: AFINIDAD POR GLU, CONDUCTANCIA, TIEMPO DE APERTURA AMPA K, Na CaMKII 1 hora post-inducción PO3

29. FASES DE LA PLP ASOCIATIVIDAD INDUCCIÓN COOPERATIVIDAD INPUT-ESPECÍFICA EXPRESIÓN CONSOLIDACIÓN

30. 4.4. LA FASE DE CONSOLIDACIÓN DE LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO

31. c c MECANISMOS MOLECULARES EN LA CONSOLIDACIÓN DE UNA PLP Ca2+ AMPc PKA (2ª oleada: 3-6 horas) MAPK c c NUCLEO CELULAR

32. REGULACIÓN EXPRESIÓN GENÉTICA DEPENDIENTE DE ACTIVIDAD NUCLEO CELULAR - MAPK CREB-2 CRE EXPRESIÓN + PO3 C CREB-1 CRE EXPRESIÓN PO3 ARNm Y SÍNTESIS PROTEÍNAS: INTEGRINAS, MOL. ADHESIÓN, PROTEÍNAS DE CITOESQUELETO, NEUROTROFINAS.... HIPÓTESIS DEL “TAGGING” MODIFICACIONES ESTRUCTURALES ¿SINÁPSIS PERFORADAS ?

33. 5. LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO ¿ MECANISMO DE LA MEMORIA ? 5.1. CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE LA HIPÓTESIS 1. APRENDER Y MEMORIZAR DEBE INDUCIR PLP DETECTABLE EN EL CEREBRO 2. GENERAR PLP DEBERÍA SUPONER EXPRESIÓN DE MEMORIAS NO ENTRENADAS 3. MANIPULACIONES DE LA PLP ANTES DE UN APRENDIZAJE, DEBEN ALTERAR LA MEMORIA POSTERIOR DE LA TAREA: ALTERACIÓN ANTERÓGRADA: LOS ESTUDIOS DE SATURACIÓN 4. MANIPULACIONES QUE ALTEREN LA PLP INDUCIDA POR UN APRENDIZAJE PREVIO, DEBEN BLOQUEAR LA MEMORIA: ALTERACIÓN RETRÓGRADA

34. 5.2. ESTRATEGIAS EXPERIMENTALES UTILIZADAS 1. MANIPULACIONES NEUROFISIOLÓGICAS: ¿ TIENE SENTIDO BUSCAR VARIACIONES MESURABLES TRAS EL APRENDIZAJE? 2. MEDICIONES FARMACOLÓGICAS: LOS FÁRMACOS DE LA PLP Y SUS EFECTOS EN LAS DIVERSAS FASES DEL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA: LOS ESTUDIOS DE CORRELACIÓN DE LAS VENTANAS TEMPORALES DE SUSCEPTIBILIDAD CONDUCTUAL AL FÁRMACO Y LA VENTANA DE ACTIVIDAD EN PLP 3. ESTUDIOS CON MANIPULACIÓN GENÉTICA: TRANSGÉNICOS Y KNOCKOUTS 3.1. DE PRIMERA GENERACIÓN 3.2. DE SEGUNDA GENERACIÓN: EL CONTROL ESPACIAL 3.3. DE TERCERA GENERACIÓN: EL CONTROL ESPACIAL/TEMPORAL (el sistema de Doxiciclina)

35. 6. PLASTICIDAD SINÁPTICA Y APRENDIZAJE DEPENDIENTE DE HIPOCAMPO

36. MANIPULACIONES FARMACOLÓGICAS: EFECTOS EN LA PLP EL APRENDIZAJE ESPACIAL NMDA * BLOQUEO DEL APRENDIZAJE ESPACIAL EN LAB. MORRIS * BLOQUEO DEL APRENDIZAJE DE OLORES * BLOQUEO DEL APRENDIZAJE CONTEXTUAL EN ADQUISICIÓN DE REC * BLOQUEO DEL APRENDIZAJE DE ALTERNANCIA ESPACIAL * INESTABILIDAD CAMPOS RECEPTIVOS DE LAS CÉLULAS DE LUGAR * LAS QUINASAS: PKA (EFECTOS EN ADMINISTRACIONES TARDÍAS), CaMKII (EFECTOS EN ADMINISTRACIÓNES INMEDIATAS) * LOS RECEPTORES AMPA: AGONISTAS AMPAKINAS Y FACILITACIÓN DEL APRENDIZAJE RECEPTORES NMDA (APV, AP5): efectos en PLP vs transmisión basal. RECEPTORES AMPA: AMPAQUINAS MANIPULACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES INTRACELULARES DE CALCIO (FÁRMACOS QUELANTES EGTA). TÉCNICAS DE IMAGEN EN ESPINAS DENDRÍTICAS. RECEPTORES mGLU. (AP3, AP4) ¿moduladores de la plasticidad? LAS QUINASAS: CaMKII Y LA PKA LAS FOSFATASAS: LA CALCINEURINA.

37. RESUMEN DE LOS RESULTADOS EN HIPOCAMPO: INDUCCIÓN/EXPRESIÓN DE PLP Y ADQUISICIÓN/EXPRESIÓN DE APRENDIZAJE ESPACIAL MANIPULACIONES GENÉTICAS: CaMKII: (SILVA Y COLS, 1992; MAYFORD Y COLS, 1996; CHO Y COLS, 1998) NMDA-R1: (

38. TAREAS ESPACIALES: DEFECTOS DE ADQUISICIÓN EN MUTANTES PLP MUTANTE CEPA NATURAL MEMORIA ESPACIAL LATENCIA ESCAPE PRUEBA DE TRANSFER

39. CAMPOS RECEPTIVOS DE LAS CÉLULAS DE LUGAR CEPA NATURAL CAMPOS RECEPTIVOS ESTABLES CEPA TRANSGÉNICO CAMPOS RECEPTIVOS INESTABLES

40. RESUMEN DE LOS RESULTADOS EN HIPOCAMPO: PLP Y APRENDIZAJE ESPACIAL CALCINEURINA E INDUCCIÓN: (MALLERET Y COLS, 2001) TRANSGÉNICOS AUSENCIA DE CALCINEURINA:POTENCIACIÓN DE LA MEMORIA CONSOLIDACIÓN: PKA: (ABEL Y COLS, 1997) TRANSGÉNICO SOBRE- EXPRESANDO SUBUNIDAD INHIBITORIA DE PKA EN CA1 (ACTIVIDAD PKA ATENUADA) NMDA: (TSIEN Y COLS, 1996) KNOCKOUT DE R1-NMDA EN CA1 * FACILITACIÓN DE LA PLP IN VITRO EN CA1, DEPENDIENTE DE PKA * FACILITACIÓN DE LA MEMORIA ESPACIAL (LAB. MORRIS: LATENCIAS Y TRANSFER) Y NO ESPACIAL (RECONOCIMIENTO DE OBJETOS), A CORTO Y LARGO PLAZO * DÉFICIT EN PLP * NO AFECTACIÓN DE TRANSMISIÓN BASAL * ALTERACIONES MEMORIA ESPACIAL (TEST DE TRANSFER) VS INTEGRIDAD EN LA VERSIÓN VISUAL * ALTERACIONES IMPORTANTES SIMILARES A LA INHIBICIÓN DE LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS EN FASE LARGO PLAZO: APRENDIZAJE REC CONTEXTUAL A CORTO PLAZO (1 HORA) PERO NO A LARGO PLAZO (24 HORAS) NMDA EN CA1 Y CONSOLIDACIÓN: TRANSGÉNICOS R1-NMDA DE TERCERA GENERACIÓN. (LAB. Dr. TSIEN, 2000) (MUTACIÓN QUE APARECE CON DOXICICLINA) * L. MORRIS: LATENCIAS Y TRANSFER * TAREAS DE MIEDO CONDICIONADO CONTEXTUAL VS REC A EC * SINCRONÍA EN CONSOLIDACIÓN Y TRANSFER DE MEMORIA A LP EN EL CÓRTEX

41. 7. PLASTICIDAD SINÁPTICA Y APRENDIZAJE DEPENDIENTE DE AMÍGDALA * ESTUDIOS EN LOS SISTEMAS DE LA AMÍGDALA: COMPLEJO LATERAL/ BASOLATERAL AMÍGDALA (BLA) NÚCLEO CENTRAL AMÍGDALA (NC) PLP EC RESPUESTA DE MIEDO RI// RC TÁLAMO EI

42. ADQUISICIÓN DE MIEDO CONDICIONADO CONTEXTO 2min SONIDO 30s SCHOCK 2s TEST SONIDO TEST CONTEXTO

43. RESUMEN DE LOS RESULTADOS EN AMÍGDALA: ADQUISICIÓN/EXPRESIÓN DE PLP Y MIEDO APRENDIDO 1. INDUCCIÓN DE PLP TRAS UN APRENDIZAJE DE MIEDO CONDICIONADO: DESARROLLO DE POTENCIALES EVOCADOS A ESTÍMULOS AUDITIVOS MEDIDO IN VIVO/IN VITRO 2. LA PLP ES SENSIBLE A LAS CONTINGENCIAS DE ACTIVIDAD PRE- POSTSINÁPTICA. CÉLULAS SENSIBLES A LAS CORRELACIONES TEMPORALES EN EL RANGO DE 10 s.

44. PROTOCOLO CONTINGENCIA 100% PROTOCOLO CONTINGENCIA 50% 10 s

45. MANIPULACIONES FARMACOLÓGICAS: EFECTOS EN LA PLP EL APRENDIZAJE DE LA REC * LOS ANTAGONISTAS DE RECEPTORES NMDA EN AMY BL ANTES-DESPUES DE LA ADQUISICIÓN * AGONISTAS DE AMPA DESPUÉS DE LA ADQUISICIÓN: FACILITACIÓN DE REC * ANTAGONISTAS AMPA DESPUÉS DE LA ADQUISICION: EL BLOQUEO DE LA EXPRESIÓN DE REC * INHIBIDORES DE SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: EFECTOS CONDUCTUALES (REC) A LARGO PLAZO, CORRELATIVOS A LAS VENTANAS TEMPORALES EN PLP * LA RECONSOLIDACIÓN DE LAS MEMORIAS: ¿MECANISMOS PLP?

46. 8. LA MODULACIÓN NEURAL DE LA PLASTICIDAD LA PLASTICIDAD HETEROSINÁPTICA: UN MECANISMO CELULAR QUE EXPLICA LA COMPLEJA INTERACCIÓN ENTRE SISTEMAS CEREBRALES

47. PLP CÉLULA MODULADORA INTERACCIÓN HETEROPSINÁPTICA CÉLULA 1: INTERACCIÓN HOMOSINÁPTICA NMDA D1/D5 NMDA AMPA Ca K, Na AMPc AMPc NUCLEO CELULAR PKA

48. 9. ¿ QUÉ HACE UN CHICO COMO TÚ EN UN LUGAR COMO ÉSTE? EL PSICÓLOGO Y LA PLASTICIDAD NEURAL: CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS DE FUTURO • LA POTENCIACIÓN DE LA MEMORIA • LAS AMPAKINAS • LOS INHIBIDORES DE LAS FOSFATAS • LA RECONSOLIDACIÓN Y LAS FOBIAS O EVENTOS TRAUMÁTICOS

49. EL AMBIENTE ENRIQUECIDO INDUCE CAMBIOS ESTRUCTURALES Y RECUPERACIÓN DE LOS DÉFICIT NO-ESPACIALES EN KNOCKOUT NMDA-R1 (CA1). (TSIEN, 2000) AUSENCIA DE NMDA-R1 EN CA1------ DÉFICIT EN: * TAREAS RECONOCIMIENTO DE OBJETOS * TAREAS DE MEMORIA DE OLORES * TAREAS DE MEMORIA DE MIEDO CONTEXTUAL LA EXPOSICIÓN A AMBIENTE ENRIQUECIDO INDUCE: 1.RECUPERACIÓNDE LOS DÉFICIT CONDUCTUALES 2. MODIFICACIONES ESTRUCTURALES EN CA1: * INCREMENTO DE LA DENSIDAD DE ESPINAS DENDRÍTICAS * MECANISMOS MOLECULARES INDEPENDIENTES DE NMDA(¿NR2-NMDA EN CEREBRO ANTERIOR?)

50. ESTÍMULOS SENSORIALES APRENDIZAJE MEMORIA RESPUESTA PLASTICIDAD PLP RESPUESTAS ALTERNATIVAS