Tópicos en Ciencias Biológicas by Red de Universidades Anáhuac

T贸picos en

Ciencias Biol贸gicas

“Queda prohibida la reproducción total o parcial de la presente obra sin expreso consentimiento del editor” TÓPICOS EN CIENCIAS BIOLÓGICAS. © 2010, Universidad Anáhuac Mayab / Universidad de Guadalajara D.R. © 2010 por Universidad Anáhuac Mayab Carretera Mérida-Progreso Km. 15.5 AP. 96 Cordemex, CP. 97310 Mérida, Yucatán, México Tel. (999) 942 48 00 con 5 líneas Fax (999) 942 48 07 www.unimayab.edu.mx Editor: Dr. Eric Murillo Rodríguez Laboratorio de Neurociencias Moleculares e Integrativas División Ciencias de la Salud,Escuela de Medicina Universidad Anahuác Mayab Mérida, Yucatán. México Dra. Esmeralda Matute Laboratorio de Neuropsicología y Neurolingüística del Instituto de Neurociencias, CUCBA. Universidad de Guadalajara. Guadalajara, Jalisco. Cuidado Editorial*: Adriana Vázquez García Gabriela Oropeza Moreno Universidad Anáhuac Mayab Carretera Mérida-Progreso Km. 15.5 AP. 96 Cordemex, CP. 97310 Mérida, Yucatán, México Tel. (999) 942 48 00 con 5 líneas Fax (999) 942 48 07 www.unimayab.edu.mx * Se han respetado íntegramente las opiniones y estilos de los autores Revisión del Documento: Mónica Febles Álvarez-Icaza / Eric Murillo Rodríguez Diseño de Portada Adriana Vázquez García / Gabriela Oropeza Moreno ISBN: pendiente Primera edición: agosto, 2010 LIBRO DIGITAL

Agradecimientos La edición del presente trabajo ha sido posible gracias al apoyo decidido y comprometido de las autoridades de la Universidad Anáhuac Mayab: Rector, P. José María Sabín Sabín, L.C.; Vicerrector Académico, Dr. Narciso Acuña González y el Director de la Escuela de Medicina, Dr. Fernando Arana Padrón, quienes han hecho evidente su compromiso incondicional con iniciativas académicas que, sin tal ayuda, difícilmente se hubieran cristalizado. También quiero hacer patente el agradecimiento a los colaboradores ya que este volumen representa el producto de un esfuerzo colectivo. Asimismo, agradezco a la Dra. Susana Guzmán Silva, Directora de Desarrollo Académico e Investigación, Universidad Anáhuac Mayab; Mtra. Mónica Febles Álvarez Icaza, Coordinadora de Investigación, Universidad Anáhuac Mayab, y a la Dra. Esmeralda Matute, Directora del Instituto de Neurociencias del Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Guadalajara, por haberme brindado múltiples facilidades para el cumplimiento cabal de esta obra que, adicionalmente, contó con los apoyos CONACyT (79009) otorgados a mi persona. Eric Murillo Rodríguez

Presentación El presente trabajo, Tópicos en Ciencias Biológicas, constituye de por sí un conjunto de evidencias científicas que le permitirán al lector integrar los conocimientos necesarios para analizar, describir e interpretar los diferentes procesos que tiene lugar en el organismo humano bajo la influencia de determinadas variables biológicas. En este libro se incluyen temáticas como acuacultura, ecología química, biología molecular, la relación entre el sistema nervioso y el locomotor, farmacología vinculada en procesos patológicos, aprendizaje y consolidación de la memoria, etiología de la depresión, así como desarrollo neuropsicológico. El presente trabajo es el resultado del esfuerzo sumado de científicos expertos en el área del estudio de ciencias biológicas que han contribuido con conocimientos avanzados relacionados con el tema. El propósito del libro es proporcionar un entendimiento comprensivo sobre temas de importancia biológica con una aproximación adecuada. Espero que el presente trabajo tenga una gran aceptación entre estudiantes, profesores e investigadores y cumpla con las expectativas de todo lector. Eric Murillo Rodríguez

Prólogo La segunda mitad del siglo XX atestiguó avances extraordinarios en el conocimiento del mundo vivo, dando lugar a un gran número de aplicaciones que ya inciden en prácticamente todos los aspectos de la vida diaria de los individuos y de las sociedades. A nivel molecular, el descubrimiento de la estructura y función del DNA inició una revolución que se continúa y expande en este siglo, y el desarrollo y aplicación de técnicas sofisticadas de Biología Molecular han conducido a la emergencia de nuevas disciplinas como la Genética Molecular, la Genómica y la Proteómica. A nivel macroscópico, el desarrollo de nuevos conceptos y el uso de técnicas diversas, en particular en el campo de la informática, han transformado las ciencias ecológicas. Hoy día tenemos una mejor comprensión de las relaciones e interconexiones de los seres vivos y su ambiente, y por lo tanto de los problemas relacionados con la conservación y administración de los recursos biológicos. Lo anterior implica la emergencia en las Ciencias Biológicas de importantes dominios de interdisciplinariedad que requieren expandirse más para abordar la complejidad de los sistemas biológicos (moléculas, células, organismos y ecosistemas) y para percibir la unidad de la vida a través de la diversidad de los seres vivos. En este contexto, el libro “Tópicos en Ciencias Biológicas” es un esfuerzo relevante para conjuntar diversos aspectos del estudio de los seres vivos, desde diferentes disciplinas y perspectivas. Bajo la coordinación editorial de Eric Murillo Rodríguez, investigador joven pero ya con una destacada trayectoria en la Neurobiología, 12 autores nos presentan siete capítulos que abordan la función de los organismos a nivel molecular, celular, de sistemas y de su integración con el medio. Iniciando este volumen, Maurilia Lara Flores hace una exposición interesante del uso en la acuacultura de los probióticos, organismos microbianos que se introducen y establecen en el tracto gastrointestinal de los seres acuáticos, contribuyendo a un mejor aprovechamiento del alimento y al desarrollo óptimo de los organismos hospederos.

En el segundo capítulo, María de Jesús García Ramírez y Víctor López Martínez nos presentan los principios del uso de sustancias químicas modificadores del comportamiento, principalmente las relacionados con la búsqueda de pareja (feromonas), en el manejo integrado de insectos de importancia agrícola en nuestro país. Sin duda, este abordaje denominado ecología química contribuye de manera importante a evitar el uso excesivo de plaguicidas y el subsecuente daño al medio ambiente. Los canales iónicos participan de manera crítica en la comunicación inter e intracelular. José Antonio Sánchez Chapula y Tania Ferrer Villada nos ofrecen una visión actual de la estructura y propiedades de dichos canales, con una sencillez y propiedad que seguramente redundarán en la comprensión amplia de un tema por sí complejo y que generalmente se presenta en varios capítulos o incluso en libros completos. Jesús Muñiz, destacado investigador de la Fisiología muscular, refleja su experiencia en la revisión de la estructura y función del músculo estriado, analizando su organización macro y microscópica para después abordar los mecanismos celulares y moleculares involucrados en la contracción. Además, revisa la función del sistema nervioso en la generación y coordinación de la contracción muscular para generar patrones motores. Las enfermedades de Parkinson y Alzheimer se han convertido en un serio problema de salud pública en México conforme envejece la población de nuestro país. Con su rigor característico, José Luis Góngora Alfaro revisa las evidencias clínicas que indican que el consumo de café o de otras fuentes de cafeína conduce a un menor riesgo de desarrollar dichas enfermedades, para presentar después los resultados de su laboratorio que apoyan dicho efecto benéfico. Sin duda, su aporte es muy significativo en la búsqueda de abordajes que prevengan la aparición de estos procesos patológicos. La depresión o síndrome depresivo es también un problema de salud pública por su creciente incidencia y, sobre todo, por sus efectos en la vida productiva de los portadores. A pesar de las diversas opciones farmacológicas de tratamiento, ninguna ha tenido los resultados esperados. En buena medida ello se debe a que no conocemos aún con certeza los mecanismos que a nivel de la función cerebral están involucrados. En el capítulo a su cargo Andrea Enríquez Castillo, Jaime Barral Caballero y Juan Carlos Pineda revisan de manera amena, pero también crítica, las principales teorías que intentan explicar la enfermedad, puntualizando sus fortalezas y debilidades. En el capítulo que cierra este volumen, Juliana Orozco y Esmeralda Matute revisan de manera concisa y atractiva el conocimiento actual sobre el desarrollo de nuestras habilidades numéricas básicas, la numerosidad y la ordinalidad. Abordan las teorías y los modelos cognitivos actuales para explicar la asociación entre los símbolos numéricos y sus representaciones internas, así como sus implicaciones para las discapacidades que afectan a una fracción de la población. Como lo ilustra este último capítulo las Ciencias Biológicas mismas, junto con las Ciencias Cognitivas, están generando conocimiento sobre cómo aprende el cerebro humano. Las teorías modernas plantean que el conocimiento se logra mejor a través de un proceso de desconstrucción. La educación ha evolucionado de un fenómeno pasivo al abordaje constructivista en el

que los maestros ayudan a los educandos a construir el conocimiento, en un proceso en el que la reconstrucción del conocimiento sigue a una fase necesaria de desconstrucción, es decir, un proceso donde el conocimiento es generado (apropiado) por los educandos mismos. Este libro presenta visiones actualizadas de diversos campos del conocimiento, escritas por especialistas en la materia activamente involucrados en la investigación, es decir, en la construcción misma del conocimiento. Poner esta experiencia y visión al alcance de los interesados es sin duda uno de los aspectos positivos de esta obra, que se convertirá así en una herramienta de aprendizaje para los alumnos de nivel medio superior y superior. Dr. José Antonio Arias Montaño

Centro de Investigación en Estudios Avanzados Instituto Politécnico Nacional México D.F. México

USO DE PROBIÓTICOS EN ACUACULTURA Capítulo 1 Dr. Maurilio Lara Flores Centro de Ecología, Pesquerías y Oceanografía del Golfo de México Univesidad Autónoma de Campeche Campeche, Campeche, México

INTRODUCCIÓN En la actualidad existe una creciente demanda de proteína de origen animal, la cual es principalmente abastecida por animales de granja. La acuacultura se ha presentado como una de las opciones más viables para producción de carne en países en vías de desarrollo, sin embargo, las especies cultivables demandan alimentos de excelente calidad y de alto contenido proteico. El alimento debe suministrar no solamente los nutrientes necesarios al animal, sino que también debe contener aditivos que mantengan un estado de salud óptimo y, así, un mejor crecimiento. Entre los aditivos más utilizados están los promotores de crecimiento como las hormonas, antibióticos, iónoferos y algunas sales, pero su uso indiscriminado puede ocasionar efectos adversos al animal (alteraciones hormonales, intoxicación, predisposición a enfermedades, etc.) y al consumidor final (20).

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Lo anterior ha motivado estudios para probar nuevos productos como son los microorganismos conocidos como probióticos. La palabra probiótico literalmente significa “para la vida” derivada del griego “pro=para y bios=vida” (19) Lilly y Stillwel en 1965 definen por primera vez el término probiótico como una sustancia producida por un microorganismo que estimula el crecimiento de otros organismos. En 1974 este término fue revisado y redefinido por Parker como un suplemento alimenticio que tiene un efecto benéfico en el animal hospedero por medio del mejoramiento del balance intestinal (11,12). Existen diversos mecanismos de acción de los probióticos por los cuales se lleva acabo la supresión de bacterias patógenas, estimulación del sistema inmune y la modificación de la actividad metabólica de la microflora intestinal (9, 19, 45, 54). Estas características ocasionaron que se evaluara el uso de probióticos en acuacultura, de tal forma, que se empieza a estudiar el potencial probiótico de la microflora de organismos acuáticos a partir de 1989 con el fin de identificar probióticos nativos (15). Para identificar microorganismos nativos con potencial probiótico es necesario estudiar la composición de la microflora con el fin de seleccionar las cepas microbianas que pudieran funcionar como probióticos, estudiar las propiedades funcionales de éstas y evaluar su efecto al administrarlas a los organismos en cultivo (56).

Antecedentes históricos y definición de Probiótico En los últimos años se han realizado diferentes investigaciones enfocadas a optimizar el consumo de nuevos ingredientes originado por la “revolución biotecnológica”, para mejorar la salud y el aprovechamiento del alimento por los organismos. Específicamente en nutrición animal, han surgido opciones “no antibióticas” como promotores de crecimiento que incluyen enzimas, levaduras y bacterias vivas. Estos productos se denominan “probióticos” y han sido propuestos como una alternativa al uso de antibióticos en la prevención de enfermedades (25). La razón por la cual el uso de antibióticos es cada vez menor, se debe a que con su ingesta se eliminan tanto a las bacterias patógenas como no patógenas en el intestino, los cual disminuye o retarda la digestión, por lo que los organismos no desarrollan adecuadamente sus mecanismos naturales de inmunorrespuesta y pueden ser más vulnerables a enfermedades. Además, su uso continuo ha conducido a una mayor resistencia bacteriana, siendo cada vez menos eficaces contra las bacterias comunes, dejando algunas enfermedades más difíciles de tratar y produciendo efectos nocivos tanto en los animales como en el consumidor final (31). El conocimiento de los efectos probióticos de algunas bacterias de la flora intestinal se inicia a principios del siglo XX con los trabajos de Metchnikoff en 1907, en los que

Uso de Probióticos en Acuacultura

menciona que mediante la ingestión de microorganismos benéficos era posible controlar a los microorganismos patógenos que ocasionan diversas enfermedades gastrointestinales, estableciendo así la primera hipótesis sobre el mecanismo de acción de estos productos (2). Aunque Metchnikoff proporcionó las bases para el estudio de microorganismos benéficos sus trabajos fueron interrumpidos con la Primera Guerra Mundial y no es hasta después de la Segunda Guerra Mundial, con la aplicación de los antibióticos como promotores de crecimiento, que se dio un mayor interés al estudio de la microflora intestinal. A partir de entonces, diversos investigadores evaluaron las funciones de los microorganismos del tracto digestivo para comprender el papel que juegan en la asimilación de nutrientes (2, 12). Parker (1974) manejó por primera vez el término de probiótico, que etimológicamente significa “a favor de la vida”, para nombrar a los microorganismos benéficos que contribuyen al equilibrio microbiano. Sin embargo, es hasta 1992 cuando Fuller da una definición más apropiada: “Probiótico es todo suplemento alimenticio a partir de

microorganismos vivos, que pueden ser una cepa bacteriana o una mezcla de varias de ellas, las cuales son suministradas al organismo y al medio del tracto digestivo” (12).

En la actualidad ésta es la definición más aceptada, ya que los microorganismos vivos o sus productos (enzimas, ácidos grasos, vitaminas, germicidas) son los principales probióticos utilizados en animales como promotores de crecimiento. Esta definición se ha completado con ciertas propiedades sugeridas por Agbiotech (1) que se deben considerar para identificar a un microorganismo que pueda ser un probiótico: 1. Debe ser preparado como un producto viable a escala industrial. 2. Debe permanecer estable y viable por periodos largos bajo almacenamiento y condiciones de campo. 3. Debe tener la habilidad de sobrevivir (no necesariamente multiplicarse) en el intestino. 4. Debe producir efectos benéficos en el animal hospedero. Las cepas más utilizadas en la preparación de probióticos son Lactobacillus acidophilus y Streptococcus faecium, con las que se ha observado una disminución en la microflora intestinal patógena al suministrarlos con las dietas. Cada uno de estos microorganismos proviene de cepas presentes en el intestino de organismos terrestres, lo que explica su importancia para ser utilizados en tales productos (2, 10, 11). También se han utilizado otras bacterias ácido lácticas y algunas levaduras con efectos similares (1). Las bacterias ácido lácticas han sido ampliamente utilizadas para restablecer el equilibrio natural microbiano en el intestino de animales de granja después de un tratamiento antibiótico (que puede disminuir las poblaciones de microorganismos benéficos de este

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tipo). También pueden estimular el establecimiento temprano de ciertos microorganismos benéficos en el intestino, ya que se ha observado que al suministrarlos en animales jóvenes se disminuye su mortalidad. Por otra parte, las levaduras han sido empleadas principalmente como fuente de proteína para los animales pero también se han adicionado a la dieta como cultivos vivos en pequeñas cantidades para modificar o alterar las funciones intestinales. Por ejemplo, el uso de ciertas levaduras probióticas en becerros y toros ha resultado en un incremento en la ingesta de alimento, mejoramiento en rendimiento y composición de la leche, así como en el crecimiento y producción de carne.

Mecanismos de acción Existe una gran variedad de formas de actuar de los probióticos, las cuales han sido explicadas y estudiadas ampliamente en animales terrestres y actualmente se considera válida cualquiera de ellas. Pueden presentarse uno o varios de los mecanismos que se describen a continuación (12).

Producción de antibióticos y sustancias germicidas Se ha observado que las bacterias producen un amplio rango de factores antagónicos que incluyen productos del metabolismo, sustancias antibióticas y proteínas bacterianas, a los cuales se les ha denominado “bacteriocinas” (39). Las bacteriocinas varían en su espectro de actividad, su modo de acción, peso molecular y sus propiedades bioquímicas (40) , y se pueden producir de manera espontánea o inducida (30). Estos agentes antimicrobianos son especies-específicos, y ejercen actividad letal a través de la absorción de receptores localizados en la superficie externa de la bacteria, seguido de cambios metabólicos, biológicos y morfológicos, resultando en la muerte de la bacteria (39). Los estudios in vitro han demostrado que algunas bacteriocinas presentan un amplio espectro inhibitorio, incluyendo bacterias Gram-positivas y Gram-negativas (16). Entre las bacteriocinas, la más conocida es la nicina, la cual es producida por un gran número de bacterias ácido lácticas, principalmente por Lactobacillus acidophillus (26) y Lac. lactis (24), y presenta el más amplio espectro inhibitorio (26).

Competencia por sitios de adhesión La adhesión es un prerrequisito importante para que los microorganismos colonicen el tracto digestivo del animal (3). En esta adhesión microbiana participan diversos

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mecanismos según el tipo de superficie a la cual han de adherirse. La principal superficie de adhesión es el tejido celular del intestino. Esta adhesión es iniciada por fuerzas de interacción como la hidrofóbica, que induce a una ligadura específica que es considerada irreversible (3, 55). Después de la adhesión, los microorganismos colonizan el tracto intestinal en el momento en que se fijan al epitelio, logrando esto por flujo lento del probiótico a través del tracto intestinal; si el lugar de fijación se encuentra ocupado por alguna bacteria, la cepa no puede adherirse y se elimina junto con las heces. Este es el principio por el cual ciertos probióticos actúan ocupando el epitelio del intestino, impidiendo así la fijación de otro tipo de bacterias (2, 10). El beneficio de impedir la adhesión de las bacterias patógenas radica en que el primer paso de una infección es la adhesión y colonización de las bacterias, y por lo tanto, los organismos recomendados a utilizarse como probióticos deben ser capaces de adherirse a las células epiteliales y multiplicarse continuamente, ya que de lo contrario su permanencia en el tracto digestivo se vería afectada (4, 55). Sin embargo, existen cepas de otros microorganismos, como el Bacillus cereus y Saccharomyces cerevisiae, que a pesar de no adherirse en el epitelio intestinal circulan a lo largo de todo el tracto digestivo en forma viva y activa, demostrando ser plenamente eficaces como biorreguladores. Por lo tanto, su acción no depende de su capacidad de adherencia, sino de su colonización (18).

Producción de ácidos grasos Algunos microorganismos producen cierto tipo de ácidos grasos con acciones antibacterianas y promotoras del crecimiento, influidas principalmente por la estructura química del ácido graso (28). La inhibición bacteriana se relaciona con el grado de insaturación y el tamaño de la cadena del ácido, ocasionando un desbalance en la membrana bacteriana (35). Por otro lado, la producción de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga que son sintetizados por diversos tipos de bacterias, ayuda a satisfacer los requerimientos nutrimentales de los organismos. Cuando se suministran probióticos gran parte de esta síntesis se realiza por los microorganismos y por las bacterias benéficas del tracto, con lo que el probiótico realiza una doble función: primero la eliminación de ciertos microorganismos por las alteraciones celulares ocasionadas por los ácidos grasos y, en segundo lugar, la producción de ácidos grasos necesarios para el desarrollo óptimo de los animales hospederos (32). Aún no es muy claro qué cantidad de ácidos grasos producen las bacterias debido a que su medición en el tracto digestivo es muy complicada, además de la dificultad para

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diferenciarlo del aporte de la dieta (32). Sin embargo, sí se ha identificado ampliamente una producción de ácidos grasos por las bacterias que han sido aisladas (28, 35).

Producción de lactato y alteraciones de pH Desde 1990 se realizan investigaciones relacionadas con la microflora animal, en las cuales se ha observado que los animales sanos presentan en el intestino una dominancia de bacterias productoras de ácido láctico y acético, mismos que inhiben el crecimiento de ciertas bacterias patógenas (2, 8, 10). Esta producción ocasiona una baja en el pH intestinal, la cual es necesaria para la optimización de la actividad enzimática, ya que la mayor parte de las enzimas proteolíticas estomacales se activan a pH bajo (2). Asimismo, ciertos microorganismos consumen carbohidratos convirtiéndolos en lactato, el cual es la forma energética más simple que pueden aprovechar los animales. Lo anterior es particularmente importante cuando se trata de peces debido a la dificultad que tienen para digerir carbohidratos (10, 26). La reducción de pH también puede inhibir la conversión de ácidos biliares primarios a secundarios, lo cual es ventajoso porque los primeros son considerados promotores de tumores. De igual forma, pueden estimular la producción de células epiteliales en el intestino, aumentando así la superficie de absorción y mejorando la asimilación de nutrientes (13).

Producción de vitaminas y aminoácidos Se ha observado en diversos estudios que la eliminación de la microflora del tracto digestivo ocasiona una deficiencia en la producción de algunas vitaminas principalmente del complejo B, lo cual causa enfermedades nutrimentales y por lo tanto un mal desarrollo del organismo (7). Entre otras cosas se ha visto que al suminstrar Lac. acidophillus se estimula el crecimiento de la flora acidógena de defensa, la cual produce vitaminas B1, B2, B6, pantoteonato de calcio y nicotamida, que compensan la carencia del complejo B en la dieta (46). La levadura Saccharomyces cerevisiae ejerce las funciones de la flora intestinal normal, ya que las levaduras vivas son la fuente más importante del complejo B, necesarias para corregir la deficiencia que se presenta en los cuadros patológicos intestinales, además de que suminstra enzimas, principalmente diastasas, útiles en los procesos digestivos (46). Leusauskience y colaboradores (1974) cultivaron bacterias intestinales de la carpa herbícora (Ctenopharingodon idella) y encontraron que liberaban una considerable cantidad de metionina en el medio de cultivo. Esto comprueba que las bacterias intestinales son capaces de producir aminoácidos esenciales que pueden usarse para compensar

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su deficiencia en la dieta. Por lo tanto al ser capaces de sintetizar tanto vitaminas como aminoácidos pueden además complementar los requerimientos del organismo (23).

Aplicaciones del concepto Probiótico en organismos acuáticos El concepto probiótico en acuacultura se ha extendido al uso de preparaciones de microorganismos vivos como tratamiento para la disminución de materia orgánica en el agua de cultivo. Moriarty (38) propuso el de extender la definición de probiótico en acuacultura a microorganismos adicionados al agua, basándose en los beneficios que estos pudieran ocasionar a la salud de los organismos. Gatesoupe (15) sugiere que una definición alternativa para la acuacultura puede ser: “Probiótico es toda célula microbia-

na que, independientemente de su forma de administración, entra al tracto intestinal de los organismos acuáticos y permanece viva con la función de mejorar la salud, promover el crecimiento y aprovechamiento del alimento”.

El uso de probióticos en peces no ha sido estudiada ampliamente, sin embargo, se presentan como una opción viable para ser utilizados, ya que ciertas bacterias del tracto gastrointestinal de animales acuáticos son capaces de transformar los componentes de origen vegetal no digeribles en productos de fácil digestión, llevando a cabo funciones similares a los procesos fermentativos de los rumiantes (36, 37). De igual forma se ha registrado que algunas bacterias ácido lácticas aisladas del tracto intestinal de peces poseen efectos inhibitorios contra microorganismos patógenos (27). Por otro lado, se ha observado que las levaduras pueden usar una amplia gama de substratos como fuente de carbono y energía, crecen bien a temperaturas extremas (entre 15° C y 45° C) y son resistentes al estrés osmótico ocasionado por los cambios de salinidad (3). Adicionalmente pueden utilizar el moco intestinal como fuente de nutrientes, y esta asociación les provee de nutrientes más ricos que el medio acuático, lo que permite que muchos de los elementos nutritivos queden disponibles y puedan asimilarse de manera óptima en el tracto digestivo de organismos acuáticos (4, 5, 55). En cuanto al uso de microorganismos para mejorar la calidad del agua y la salud del animal, Porubcan (47) estudió diferentes tratamientos bacterianos para mejorar la producción de camarón (Peneaus monodon); primero, utilizando biofiltros flotantes preinoculados con bacterias nitrificantes observando un incremento en la supervivencia del camarón. En el segundo experimento introdujo cepas de Bacillus sp. cerca de los aireadores de los estanques con lo que obtuvo una reducción de la demanda química de oxígeno y se incrementó la producción de camarón. Con base en los estudios anteriores, muchas empresas han explotado la idea de que las bacterias mejoran la calidad del agua y por ende la salud del animal. Estos productos son manejados como “probióticos” y muchos de ellos contienen bacterias nitrificantes

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y/o Bacillus sp. estas dos clases de bacterias son ligeramente diferentes. Las bacterias nitrificantes tienen nichos ecológicos estrictos y no han sido detectadas en el tracto gastrointestinal de los animales acuáticos. Las cepas de Bacillus sp. usados como probióticos tienen origen terrestre, y no son autóctonas del tracto intestinal, sin embargo, pueden ser activadas durante el paso por el intestino de organismos acuaticos. Más aún, existen muchos reportes de aislamientos de cepas de bacilos del tracto intestinal de peces, crustáceos y bivalvos con poder probiótico. Queiroz y Boyd (48) confirmaron que la inoculación del estanque con Bacillus sp. comercial incrementó la supervivencia y la producción del bagre de canal, sin embargo, ellos se enfocaron a criterios de calidad del agua. Kennedy y colaboradores (29) aislaron cepas de Bacillus cubtili del róbalo (Centropomus undecimalis) y la inoculación de esta cepa en el agua resultó en una aparente eliminación de Vibrio sp. de los sedimentos. El efecto en la microbiota intestinal del róbalo no fue estudiado, pero el autor enfatiza que tales excresiones enzimáticas son un posible efecto probiótico.

Búsqueda de Probióticos acuáticos autóctonos Estudios preliminares El primer reporte es atribuido a Maeda y Liao (33) quienes aislaron la cepa “PM-4” del agua de recirculación de tanques para cultivo de larvas de camarón (Peneaus monodon) con una buena supervivencia y tasa de reproducción. La bacteria fue identificada como Thalasobacter utilis (42) y fue usada como biocontrolador en la producción de larvas de camarón (Penaeus monodon) y del cangrejo nadador (Portunatus trituberculantus). Este tratamiento incrementó la supervivencia de las larvas y reprimió el crecimiento de Vibrio anguillarum y Haliphthoros sp. (33, 34, 41, 42). Posteriormente se estudió si Thalasobacter utilis podría sobrevivir en el intestino de la larva de cangrejo nadador después de ser infectado con Vibrio anguillarum por ruta intestinal, obteniéndose resultados satisfactorios (14, 43). Griffith (22) reportó que larvas de camarón en centros de eclosión ecuatorianos fueron afectados por una enfermedad caracterizada por el cambio en las poblaciones bacterianas. Las proporciones de Vibrio alginolyticus decrecieron cuando el Vibrio parahemolyticus se incrementó. La cepa de Vibrio alginolyticus fue aislada y usada como probiótico en los criaderos ocasionando que el nivel de supervivencia del camarón recobrara los niveles obtenidos antes de la epidemia. Austin y colaboradores (6) investigaron los efectos probióticos de esta cepa en el salmón del Atlántico (Salmo salar) y reportaron que las células de Vibrio ordalli perdieron su viabilidad después de tres semanas de haber sido introducidas, ocasionando una mejora en la supervivencia del salmón ante la presencia de patógenos. Andlid y colaboradores (4, 5) aislaron levaduras acuáticas (Rhodotorula glutinis, Rhodotorula rubra y Debaryomyces hansenii) del intestino de trucha arcoiris (Oncorhynchus mikis); asimismo, aislaron levaduras de peces silvestres (Pleuronectes platessa y Pleuronectes flesus),

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observando que si estas eran reintroducidas al tracto digestivo del organismo, algunas de ellas, principalmente Debaryomyces hansenii, colonizaban el intestino. El incremento en las poblaciones de levaduras parece tener efectos sobre las bacterias aerobias, las cuales fueron reducidas durante el tiempo de muestreo cuando la concentración de levadura se encontraba en el nivel más alto. Los autores también indican que el establecimiento de una cepa de Debaryomyces hansenii en el intestino fue seguido por la colonización de otra levadura, pero la razón para este sinergismo aparente no está clara (5). Estas levaduras son supuestos probióticos por analogía, con efectos benéficos probados cuando han sido administrados en humanos o animales terrestres (5).

Antagonismo a patógenos El efecto probiótico más estudiado en organismos acuáticos ha sido la actividad antibacteriana de los microorganismos, ya es muy común en la microbiota de los ambientes acuícolas (52). Sugita y colaboradores (52) aislaron cepas de Bacillus sp. que presentaron antagonismo contra el 63% de las bacterias aisladas del intestino de peces. A partir de este estudio, diversos autores han investigado la capacidad antibacteriana de cepas autóctonas de organismos acuáticos. Las cepas patógenas de Vibrio sp. o Aeromonas sp. han sido las cepas objetivo en la mayoría de las pruebas in vitro, pero algunas otras cepas patógenas del pez también han sido probadas como por ejemplo Edwarsiella tarda, Enterococcus seriolicida, Pasteurella piscicida y Yersinia ruckeri (6, 17, 51, 53). También algunas bacterias han sido estudiadas por su capacidad antagónica a virus y como biocontroladores de enfermedades virales (34). Es importante recordar que el antagonismo puede ser ocasionado no sólo por los antibióticos, sino también por otras sustancias inhibitorias presentes en el sistema como por ejemplo ácidos orgánicos, peróxido de hidrógeno (49) y sideróforos (21). La inhibición de estos componentes depende en gran medida de las condiciones experimentales y si se realizan in vitro o in vivo, ya que la expresión de antagonismo in vitro no es un criterio con suficiente fuerza para seleccionar a un posible probiótico, puesto que es necesario realizar pruebas in vivo para conocer los efectos colaterales que puedan presentarse en el hospedero (50).

Perspectivas de la utilización de probióticos en acuacultura En la actualidad los probióticos son administrados a una gran diversidad de animales de granja o domésticos por vía oral, ya sea en forma de cápsulas, pasta, polvo o gránulos. Se sugiere que estos probióticos sean administrados continuamente en dosis preestablecidas y solamente después de percibir un estrés o antes de someterlos a éste (11). En

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sistemas de cultivo intensivo de organismos acuáticos, los probióticos pueden ser una opción viable para aminorar las deficiencias nutrimentales y productivas ocasionadas por el estrés producido por el sistema de cultivo, así como para impedir las epidemias que se presentan en los cultivos por las altas densidades que se manejan. Se sabe que la inoculación oral por medio de cápsulas o pastillas en peces, causa estrés a los animales lo que ocasiona un disturbio en la flora intestinal, por lo que su administración no debe prolongarse por mucho tiempo. Igualmente la inoculación en el agua es imprecisa y puede ser menos eficiente si el agua no es recirculada. Lo anterior ha dado lugar a que los probióticos se utilicen principalmente en forma de polvos por su facilidad de mezclarse con el alimento para obtener resultados satisfactorios. Esto también garantiza una constante liberación de los microorganismos al tracto digestivo y un tiempo de residencia suficiente para que las bacterias puedan poblar el tracto digestivo (3, 11). A través de una selección óptima del probiótico se puede mejorar el aprovechamiento de otras fuentes de energía tales como los carbohidratos, para incrementar de esta forma la utilización de proteína. También se puede lograr un aporte de nutrientes bacterianos que complementen la dieta artificial suministrada al animal. Esto se basa en que la ecología microbiana del tracto digestivo del pez puede ser muy similar respecto a la de los vertebrados mayores, debido a que la estructura celular del intestino y fisiología de la digestión pueden ser muy parecidos. Esto hace que los conocimientos obtenidos en mamíferos puedan ser aplicables a peces y los efectos benéficos que suceden en los animales terrestres también ocurran en los peces (36). La influencia de los probióticos sobre la microbiota intestinal ha sido poco descrita, pero se espera que en futuras investigaciones se pueda conocer más de esto con la utilización de pruebas moleculares aplicadas al análisis de comunidades de bacterias en el tracto intestinal de peces.

Uso de Probióticos en Acuacultura

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EL PAPEL DE LA ECOLOGÍA QUÍMICA EN EL CONTROL DE PLAGAS AGRÍCOLAS Capítulo 2 María de Jesús García-Ramírez1; Víctor López-Martínez2 1 Universidad Autónoma de Campeche, Escuela Superior de Ciencias Agropecuarias Escárcega, Campeche. México 2 Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado de Morelos Cuernavaca, Morelos. México

INTRODUCCIÓN Los esfuerzos de investigación en ecología química de insectos de importancia agrícola inician cuando se observan los fenómenos naturales que se relacionan con el movimiento (comportamiento) de un insecto plaga en respuesta a los estímulos químicos que son liberados por otros organismos de la misma o distinta especie; la información aquí obtenida es la base para hacer bioensayos para aislar e identificar los semioquímicos involucrados (5). Muchos aspectos del ciclo de vida de la forma adulta de los insectos está regulado por la emisión e identificación de semioquímicos en

Tópicos en Ciencias Biológicas.

el medio ambiente: la búsqueda de huésped, de pareja, marcaje de territorio y marcaje de sitios de ovipostura; son algunos de los factores en los cuales existen sustancias químicas que modifican el comportamiento. El uso de compuestos modificadores del comportamiento están acordes a la filosofía del Manejo Integrado de Plagas, que de acuerdo a Fenemore y Prakash (10) se caracteriza por emplear de manera integrada dos o más estrategias de control, maximizar los factores naturales de mortalidad de la plaga y aplicar medidas específicas de control sólo cuando sean necesarias. Existen diversas estrategias en las cuales se emplean semioquímicos para el manejo de poblaciones de plagas insectiles; destaca por su relevancia el monitoreo de adultos porque proporciona información básica para conocer la presencia de la plaga, su dispersión y fluctuación poblacional, así como para establecer el momento adecuado para aplicar un insecticida. Otras estrategias involucran la captura de la mayor proporción de individuos de una población por varias generaciones con la finalidad de disminuir la densidad poblacional, o estrategias que impidan la cópula y así evitar la oviposturas (12). Este capítulo define los semioquímicos con relevancia en el establecimiento de programas de manejo integrado de insectos de importancia agrícola en el país, con un énfasis en sistemas de monitoreo de poblaciones.

Quimiorrecepción El cuerpo de los insectos está cubierto de diversos sénsulos quimiorreceptores con forma de seta y que se denominan sensilas. Estas varían en forma, tamaño, distribución y espectro de compuestos que detectan (27), y generalmente se encuentran en mayor número en las antenas de los individuos receptores de señales químicas. Las sensilas son estructuras en cuya superficie se localizan numerosos poros microscópicos, por donde entran las moléculas de olor y son transportadas hasta la membrana de dendritas, sitio en que ocurre la transducción: la conversión de energía química a energía eléctrica (7). La principal estructura empleada por los insectos para la colecta de información química del medio ambiente son las antenas, y en éstas se registra un dimorfismo sexual dependiendo de quién tiene que detectar los compuestos liberados por el sexo contrario; así Malo et al (23) para Spodoptera frugiperda encontró que machos y hembras tienen el mismo tipo de sensilas tricoideas en las antenas, pero los machos tienen un mayor número y son de mayor diámetro basal.

El papel de la ecología química en el control de plagas agrícolas

Semioquímicos involucrados en la comunicación de insectos Todos los compuestos que participan en la comunicación química de los insectos se denominan semioquímicos, y comprenden dos tipos: los aleloquímicos y las feromonas (Cuadro 1). El primer tipo de compuestos está integrado por sustancias que son liberadas por una especie y que tienen efecto de respuesta en individuos de otra especie; las feromonas son compuestos cuyo efecto sólo se registra entre individuos de la misma especie.

Tipo de sustancia

Característica

Ejemplo

Aleloquímicos Sustancia que provoca una respuesta en el receptor y que beneficia al emisor

Alomona

Atrayentes alimenticios

La respuesta es favorable para el receptor Respuesta favorable en el emisor y receptor

Kairomonas

Gusano alfilerillo

Sinomona

Parasitoides

Feromonas Agregación

Miembros de la misma especie acuden a la fuente de emisión de la feromona

Picudo del nardo

Alarma

Liberación de compuestos ante la presencia de una amenaza

Pulgones

Espaciamiento

Cuando el recurso de alimentación se agota, se liberan compuestos que repelen la llegada de nuevos individuos

Palomillas en granos almacenados

Marca hospederos

Aplicación de compuestos para evitar que otra hembra oviposite en un huésped seleccionado previamente por otra hembra

Moscas de la fruta

Marca senderos

En insectos sociales, para delimitar la ruta entre una fuente de alimento y el nido o colonia

Hormiga arriera

Sexuales

Búsqueda de pareja para el cortejo y apareamiento

Barrenadores de la caña de azúcar

De territorio

Cuadro 1. Sustancias químicas involucradas en insectos.

Tópicos en Ciencias Biológicas.

Uso de semioquímicos en programas de manejo integrado de plagas Importancia del diseño de la trampa El diseño de la trampa es vital para tener respuestas de atracción a semioquímicos y deberán cubrir la regla de las “tres B´s”: buenas (eficientes en captura y atracción constante), bonitas (atractivas a los insectos objetivo, prácticas para su colocación y revisión) y baratas (fáciles de adquirir para un uso masivo). Existen diversos factores que deben considerarse para determinar la efectividad de la trampa (Cuadro 2). Parámetro

Característica ideal

Problemas

Cebo

Atracción constante

Cambios en la dosis liberada, de la mezcla, isómeros y espacios activos. Atracción de organismos no objetivo

Forma física

No inhibitoria, multidireccional

Interferencia visual, física con el compuesto liberado y el ingreso de insectos

Color

Atractiva o neutra

Atracción de organismos no objetivo, robo al ser atractiva al ojo humano

Durabilidad

Larga vida

Resistencia a parámetros climáticos, manipulación

Superficie de la trampa

Retención constante

Saturación, pérdida de la capacidad de retención

Frecuencia de servicio

Infrecuente

Costos de mantenimiento

Costos

Bajos costos

Volumen necesario, diseños complejos, durabilidad corta, disponibilidad constante

Cuadro 2. Aspectos de diseño de las trampas cebadas con semioquímicos a considerar (modificado de Suckling & Karg, 2000).

Muestreo y monitoreo Las actividades de monitoreo consisten en la supervisión sistemática de las áreas de cultivo para la detección de organismos plaga; la obtención de muestras proporciona una información de tipo cuantitativo para estimar la densidad de población presente (8). El monitoreo permite establecer con claridad la fecha de arribo de una plaga al cultivo, se puede estimar el inicio de las fechas de ovipostura de las hembras, así como dar un seguimiento estricto a la densidad poblacional, por lo que resulta sencillo predecir

El papel de la ecología química en el control de plagas agrícolas

el momento apropiado del uso de herramientas de control. Adicionalmente es posible evaluar el efecto de la aplicación de una medida específica de control: si entre la aplicación y el siguiente muestreo no se observa una disminución en el número de individuos colectados, la táctica de control no fue efectiva y habrá que aplicar otra medida. Una feromona sexual es secretada por individuos de un mismo sexo y causa una atracción en el sexo opuesto, de esta manera se garantiza la cópula entre individuos de ambos sexos de una misma especie. Por tal motivo, las feromonas sexuales se han empleado con gran éxito en varias especies en estrategias de muestreo y monitoreo; debido a su alta especificidad, es posible detectar la presencia de una plaga en un área de interés y así establecer su ocurrencia temporal (10). El uso de trampas con feromonas sexuales se usa para detectar plagas nativas primordialmente como en el caso del picudo del algodón, Anthonomus grandis (29), pero tienen un uso especial para descubrir la presencia de plagas de interés cuarentenario que amenazan la comercialización de especies agrícolas como palomillas asociadas a frutos de hueso (2) o a la diversidad de cactáceas incluyendo al nopal tunero y nopal de verdura (palomilla de los cactus, Cactoblastis cactorum) (15) (Cuadro 3 y Cuadro 4). Especie de plaga

Cultivo afectado

Cita

Anthonomus grandis

Algodón

Vázquez, 1998

Elasmopalpus lignosellus

Frijol

Loera et al., 1995

Keiferia lycopersicella

Jitomate

Alvarado-Rodríguez y RiveraRubio, 1990.

Phthorimaea operculella

Papa

Nieto-Hernández et al., 1989

Plutella xylostella

Crucíferas

Hoy et al., 2007

Spodoptera frugiperda

Maíz

Malo et al., 2001

Toxotrypana curvicauda

Papaya

Heath et al., 1996

Cuadro 3. Plagas agrícolas en México que se monitorean con feromonas sexuales. Especie de plaga

Cultivo afectado

Cita

Cactoblastis cactorum

Cactáceas en general, principalmente nopal tunero y nopal verdura

Hernández et al., 2007

Copitarsia decolora

Brócoli, cilantro, col, coliflor, lechuga

Muñiz-Reyes et al. 2007

Platynota stultana, Archips argyrospila y Protorthodes spp.

Durazno

Aguilera-Peña et al., 2005

Cuadro 4. Algunas especies de importancia cuarentenaria para México monitoreadas con feromonas sexuales.

Tópicos en Ciencias Biológicas.

Las plagas de importancia cuarentenaria pueden ingresar al país por diversas rutas de comunicación de manera accidental por las distintas actividades de comercialización y movilidad de la población. Las trampas se colocan alrededor de aeropuertos, puertos marítimos, terminales de autobuses, afuera de centrales de abasto y mercados; y son herramientas valiosas para definir áreas libres de plagas (13).

Trampeo masivo En esta variante se aprovecha la secreción de compuestos que son emitidos por individuos de un sexo (machos o hembras) y que provocan una respuesta de atracción hacia ambos sexos a un mismo sitio para realizar actividades de alimentación y reproducción. La captura de grandes cantidades de la especie plaga se reflejarán en una reducción del daño a niveles aceptables económicamente (27). En especies como el género Frankliniella spp., es indispensable que las trampas con feromona sean colocadas antes del inicio de floración, ya que estas especies se alimentan de los brotes reproductivos jóvenes; colocar las trampas cuando las flores hayan madurado no tiene un impacto importante en la captura de trips, debido a que el daño estético a las flores ya se ha realizado (Observación personal). Es recomendable que el sistema de trampeo capture la mayor proporción de hembras, ya que éstas realizan las oviposturas; la captura de machos no es tan importante, ya que un macho fértil que escape tendrá la capacidad de fecundar a las hembras disponibles. El éxito de este sistema es fruto de la combinación de un cebo muy atractivo y de una trampa muy efectiva (13). Como es necesario contar con una gran cantidad de cebos y trampas, un aspecto negativo de esta estrategia son los costos en adquirir y mantener el sistema; además existe un riesgo de saturación de las trampas. Por lo tanto, se tendrán mejores impactos si se aplica de manera extensiva y si las densidades poblacionales de la plaga son bajas (18). Si bien es cierto que en este sistema se utiliza generalmente como atrayente a las feromonas, en estudios recientes se ha observado que algunas kairomonas (cebos alimenticios) también ejercen el efecto de atracción masiva, prueba de esto se observa en los estudios realizados por (11, 12), donde trampas Multilure cebadas con trozos de fruta ejercen una atracción de Moscas de la Fruta del género Anastrepha spp. de hasta cuatro veces mayor en comparación con el cebo tradicional de proteína hidrolizada que se utiliza de manera oficial para hacer monitoreo de esta plaga. Lo anterior nos da la pauta para pensar en una nueva alternativa de la utilización de los químicos de manera natural para realizar capturas masivas de plagas que resulten costeables y ayuden a los productores en el saneamiento de sus cultivos.

El papel de la ecología química en el control de plagas agrícolas

Especie de plaga

Cultivo afectado

Cita

Ornamentales

Reyes-Ortíz, datos no publicados

Hypothenemus hampei

Café

Barrera et al., 2006

Metamasius spinolae

Nopal

Tafoya et al., 2003

Rhynchophorus palmarum

Palma de coco

Camino et al., 2000

Scyphophorus acupunctatus

Agave tequilero, agave pulquero, agave mezcalero, henequén, nardo

Ruiz-Montiel et al., 2008

Frankliniella spp.

Cuadro 5. Especies plagas en México en que se conocen feromonas de agregación.

Cebar y matar Cualquier sustancia química que genere una respuesta de atracción hacia insectos, puede usarse para atraer insectos a trampas con salidas restrictivas en donde mueren por entrar en contacto con una superficie pegajosa, con un insecticida (9), un microorganismo, un esterilizante (19) o inclusive con agua jabonosa. Como cebo pueden emplearse olores (feromonas producidas por el insecto plaga, kairomonas producidas por la planta huésped) o señales visuales (color de la trampa, luz ultravioleta) o una combinación de ambos. En esta estrategia se ha trabajado especialmente con moscas de la fruta del género Anastrepha, se han sintetizado sustancias emitidas por los frutos hospederos y se han combinado con trampas McPhail y Multilure para atrapar adultos de estos tefrítidos, principalmente con A. ludens y A. serpentina (11, 21).

Disrupción del apareamiento o técnicas de confusión del macho Esta propuesta considera colocar suficientes fuentes artificiales de feromonas ubicadas en un área en particular o saturar el ambiente para que la probabilidad de que una macho encuentre a una hembra, se aparee y se coloquen huevos viables, se reduzca por debajo del punto en que ocurra un daño económico importante. Esta actividad se ha realizado principalmente hacia especies de mariposas o polillas y se enfoca a reducir la incidencia de una nueva generación (27). Especie de plaga

Cultivo afectado

Cita

Pectinophora gossypiella

Algodón

Jenkins, 2002

Spodoptera exigua

Jitomate

Avilés et al., 2004

Cuadro 6. Especies plagas en que se aplica la técnica de disrupción del apareamiento.

Tópicos en Ciencias Biológicas.

La exposición prolongada a diversas fuentes artificiales de feromona, provocan que el macho muera de agotamiento al buscar de manera constante a hembras inexistentes. El éxito de la técnica de disrupción del apareamiento se apoya en la identificación correcta de las moléculas que integran a la feromona y que tengan mayor capacidad de atracción que la producida de manera natural (24); y ha sido una de las opciones más importantes cuando el nivel de resistencia hacia plaguicidas es importante (30).

Ventajas y desventajas de emplear feromonas en el Manejo Integrado de Plagas Agrícolas Las principales ventajas se relacionan con el respeto al medio ambiente y a su sencilla manipulación: la preparación y aplicación de feromonas no afecta la salud de los aplicadores, no son tóxicas, por lo que el nivel de residuos en frutas y hortalizas es nulo, así como los problemas a la salud humana son nulos. La aplicación puede requerirse en una sola o pocas ocasiones. Las feromonas son altamente específicas, por lo que sólo se afecta las poblaciones de la plaga de interés. No se necesita un equipo especial o una capacitación para la aplicación de estos compuestos y son altamente compatibles con la fauna benéfica (depredadores y parasitoides). Como desventajas, la principal es que se consideran productos con elevados costos para la investigación de los procesos biológicos, bioquímicos y fisiológicos relacionados con la producción, síntesis, liberación y identificación de los compuestos químicos. Además, necesita que se aplique en grandes áreas o confinadas, para evitar que hembras vuelen hacia cultivos sin tratar.

CONCLUSIONES El uso excesivo de plaguicidas y los problemas ocasionados al medio ambiente y a la salud humana, estimularon la búsqueda de herramientas alternas al control de plagas agrícolas con plaguicidas sintéticos. La ecología química es una herramienta alterna que complementa un programa de Manejo Integrado de Plagas Agrícolas, al descubrir y sintetizar compuestos involucrados en la comunicación de insectos, principalmente los relacionados a la búsqueda de pareja (feromonas sexuales).

El papel de la ecología química en el control de plagas agrícolas

AGRADECIMIENTOS Este documento tiene como origen la experiencia de los autores al participar en varios proyectos de investigación financiados por diversas instituciones (PROMEP-UACAM,PROMEP/103.5/05/1722), (PROMEP-UAEMOR/07/219; PROMEP/103.5/03/1134). El apoyo obtenido por algunos grupos de productores mexicanos (cítricos, mango, nopal, ornamentales, agave tequilero, palma cocotera) ha permitido trabajar en sus unidades de producción con aspectos de ecología química de plagas agrícolas.

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CANALES IÓNICOS: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES Capítulo 3 José Antonio Sánchez Chapula, Tania Ferrer Villada Centro Universitario de Investigaciones Biomédicas Universidad de Colima Colima, Colima México

INTRODUCCIÓN La membrana plasmática como barrera semipermeable Las células se encuentran delimitadas por una membrana plasmática, una bicapa lipídica que separa el medio interno de un medio externo drásticamente diferente. En la membrana celular se encuentran proteínas transmembranales que constituyen cerca de la mitad del contenido total de la misma. La mitad restante está compuesta de lípidos, tales como colesterol, glicolípidos y fosfolípidos. Las membranas plasmáticas de las células animales contienen primariamente cuatro fosfolípidos (fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina), los cuales están distribuidos

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asimétricamente en la bicapa. La mitad externa de la bicapa lipídica consiste mayormente de fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que la fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina son los más abundantes en la mitad interna. Un quinto fosfolípido, el fosfatidil inositol, se encuentra también localizado en la cara interna de la membrana aunque en pocas cantidades (3, 12). Los grupos polares de los lípidos que forman la membrana están orientados hacia las caras intra y extracelular, mientras que sus porciones hidrofóbicas se encuentran orientadas hacia el centro de la membrana. Las cabezas polares de la fosfatidilserina y del fosfatidilinositol están cargadas negativamente, por lo que le confieren una carga neta negativa a la cara citosólica de la membrana. Las membranas celulares son selectivamente permeables a gases como CO2, N2 y O2 que pueden pasar libremente a través de la bicapa, pero otras sustancias como cationes y aniones, aminoácidos, carbohidratos y proteínas son relativamente impermeables. La concentración iónica total es similar a ambos lados de la membrana, sin embargo, la concentración específica de las distintas especies iónicas es diferente. La naturaleza semipermeable de la membrana celular acoplada a la actividad de proteínas que median el transporte de iones y otros solutos, originan una distribución asimétrica de éstos a través de la misma, que crea gradientes electroquímicos para los iones.

Proteínas transportadoras Existen tres clases fundamentales de proteínas transportadoras y todas ellas comparten dos características significativas: son proteínas integrales de membrana y muestran un alto grado de especificidad por el sustrato a transportar. Ellas son: Bombas dependientes de ATP: son ATPasas que usan la energía de la hidrólisis del ATP para mover iones o pequeñas moléculas a través de la membrana, en contra de su gradiente electroquímico. Este proceso es conocido como transporte activo. Estas bombas mantienen las bajas concentraciones de calcio y sodio dentro de la célula respecto al medio externo. También generan el bajo pH que existe dentro de los lisosomas de las células animales y en el lumen del estómago. Transportadores: esta clase de proteínas mueve una gran variedad de iones y moléculas a través de la membrana celular. Ellas unen uno o varias moléculas del sustrato a un mismo tiempo, luego la proteína sufre un cambio conformacional permitiendo que esa molécula sea transportada a través de la membrana. Debido a que el movimiento de cada molécula (o pequeño número de moléculas) de sustrato requiere de un cambio conformacional en el transportador, los transportadores sólo mueven entre 102 – 104 moléculas por segundo aproximadamente.

Canales iónicos: estructura y propiedades

Algunos transportadores transportan sólo una molécula (ej.: glucosa, aminoácidos) cada vez de un lado a otro de la membrana a favor de su gradiente de concentración y son llamados uniportes. Otros transportadores son más complejos y funcionan como transportadores acoplados, los cuales transportan dos solutos y la transferencia de uno de ellos depende del transporte del segundo. El transporte acoplado o cotransporte involucra el transporte simultáneo de dos solutos en la misma dirección (simporte) o el transporte de un segundo soluto en dirección opuesta al transporte del primero (antiporte) (3, 12). Canales iónicos: a diferencia de los transportadores, estas proteínas forman un poro hidrofílico a través de la membrana permitiendo el paso de agua (acuaporinas) o específicos tipos de iones de un lado a otro de la bicapa lipídica a favor de su gradiente electroquímico. En las siguientes secciones detallaremos los diferentes tipos de canales iónicos que existen y sus propiedades.

Canales Iónicos Los canales iónicos son estructuras biológicas complejas, que permiten el paso de los iones con exquisita especificidad, a velocidades cercanas a la de los límites de difusión, y bajo condiciones de una estrecha regulación. Aproximadamente 340 genes humanos codifican para canales iónicos (ver: www.ensembl.org/Homo_sapiens/index.html). Ellos juegan importantes papeles fisiológicos en procesos tales como excitación nerviosa y muscular, secreción hormonal, proliferación celular, transducción sensorial, aprendizaje y memoria, regulación de la presión sanguínea, balance hidroelectrolítico, fertilización y muerte celular, entre otras (1, 7). Consecuentemente, los defectos en el funcionamiento de los canales iónicos tienen profundos efectos fisiopatológicos. Los canales iónicos son también blancos atractivos para la terapia farmacológica. Así, muchos fármacos como anestésicos locales, antiarrítmicos, sedantes, antidepresivos, antiepilépticos, antidiabéticos y otros, ejercen su actividad interaccionando con canales iónicos (9, 19). Los iones se mueven a través de estos a una velocidad mayor que en los transportadores. La velocidad de movimiento para canales selectivos varia de 106 a 108 iones por segundo, que corresponde a 10-12 – 10-10 Amperios (1 -100 pA). En contraste, la velocidad de transferencia para transportadores como la bomba sodio-potasio es de aproximadamente 300 iones de Na+ y 200 de K+ por seg., que corresponde a una corriente de 1.5 X 10-17 Amperios. Cuando un canal iónico se abre, la dirección del movimiento del ion permeante es determinada únicamente por el voltaje transmembranal y el gradiente electroquímico del ion permeante, el cual puede ser calculado por la ecuación de Nernst. Los canales iónicos no residen solamente en la membrana plasmática, sino que también se encuentran en membranas de organelos intracelulares como el retículo endoplásmico, endosomas, lisosomas y mitocondrias (1). A su vez, estos no están expresados

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uniformemente a través de las membranas. Un buen ejemplo de especialización de canales es el nodo de Ranvier de las neuronas motoras. Múltiples células de Schwann rodean el axon de las motoneuronas y lo cubren con mielina, una proteína aislante que incrementa la velocidad de propagación de los potenciales de acción. Las células de Schwann adyacentes están separadas por un espacio llamado nodo de Ranvier y es aquí conde están concentrados los canales de Na+ y K+. Los potenciales de acción saltan entre los nodos (conducción saltatoria) en los axones mielinizados y entonces la actividad eléctrica se conduce mucho más rápido (10).

Clasificación y diversidad de los canales iónicos Los canales iónicos pueden ser divididos en tres grandes grupos para su clasificación: 1. Canales iónicos dependientes de voltaje, que abren y cierran en respuesta a cambios en el potencial transmembranal; su clasificación está basada en la selectividad iónica (e.g. selectivos a K+, Na+, Ca2+ o Cl-). 2. Canales iónicos dependientes de ligando; abren en respuesta a la unión de un ligando como glutamato, ácido gama amino butírico, acetilcolina, ATP o AMP cíclico. 3. Otros tipos de canales iónicos: canal regulador de la conductancia transmemembranal de la fibrosis quística, conexinas de las uniones comunicantes, canales mecanosensibles, canales TRP (transient receptor potential), entre otros. Hoy en día es conocido que existe una gran diversidad de canales iónicos. Por ejemplo, según sus propiedades se han diferenciado cuatro mayores tipos de canales de calcio activados por voltaje, que son lo canales tipo L, N, P, Q. Los canales tipo L se expresan primariamente en el músculo donde participan en el acoplamiento excitacióncontracción; sin embargo, los canales tipo N, P y Q se expresan primariamente en terminales nerviosas y regulan la liberación de neurotransmisores. El origen de esta diversidad viene dado por la duplicación y divergencia de genes, el procesamiento alternativo del ARNm, el ensamblaje heteromultimérico de diferentes subunidades formadoras del poro (α) y el ensamblaje heteromultimérico de subunidades α y subunidades accesorias (β, KChIPs, MiRPs, MinK).

Canales iónicos activados por voltaje Estructura molecular de los canales iónicos Los canales iónicos se componen de una o más subunidades formadoras del poro del canal, y en algunos de ellos en asociación con subunidades accesorias (4, 11, 13). La mayoría de los canales tienen un dominio central en donde se encuentra el poro, a través

Canales iónicos: estructura y propiedades

del cual los iones se mueven. Este poro es formado por cuatro o cinco α-hélices. En algunos canales, las α-hélices que forman el poro del canal son aportadas por subunidades separadas (subunidades α, de tal manera que los canales son tetrámeros (canales Kir de K+, Ffigura 1). Por otro lado, los canales dependientes de voltaje de Na+ (NaV) y Ca2+ (CaV) están compuestos por una sola subunidad α que posee cuatro dominios similares repetidos. Algunos canales de K+ son dímeros, y cada subunidad está formada por dos dominios repetidos (Figura 1).

Canales con asa - P

Familia S4

Kv, SK, CNG, HCN, TRP

Kir

(x4)

2 - Poros (x2)

Receptores de glutamato

Nav, Cav (x1)

(AMPA, NMDA, KA) (x4)

M2 (x4)

Conexinas Receptores (x6) de asa-Cys

(AChR, GABA, GlyR, 5HT) (x5)

(x4)

IP3, RYR* (x4)

CIC (x2)

CFTR

NBD

Figura 1. Tipos de canales iónicos. Topología de los diferentes grupos de canales. Los números en paréntesis se refieren al número de subunidades que forman parte del poro del canal. Los cuadros grises indican los dominios a los que se unen los ligandos. El dominio S4 es presentado en rojo. Kir significa canales rectificadores entrantes; KV canales de potasio dependientes de voltaje; NaV, canales de sodio dependientes de voltaje; CaV, canales de calcio dependientes de voltaje; CNG, canales modulados por nucleótidos cíclicos; HCN, canales activados por hiperpolarización; TRP, canales con potenciales transitorios del receptor; ClC, canales de cloro; CFTR, regulador de la conductancia transmembranal de la fibrosis quística; IP3R, receptor a trisfosfato de inositol; RYR, receptar a rianodina.

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La estructura más primitiva de canales iónicos está representada por los canales de potasio con rectificación entrante, en donde las subunidades α cuentan con dos segmentos transmembranales (M1 y M2) (Figura 1). A diferencia de éstos, las subunidades α de los canales de potasio activados por voltaje están integradas por seis segmentos transmembranales (S1, S2...S6), unidos entre sí por asas extracelulares e intracelulares y tanto el extremo N-terminal como C-terminal de cada subunidad se localizan en el lado citoplasmático de la membrana (Figura 1). Entre los segmentos S5 y S6, se localiza una región que se introduce sólo parcialmente en la bicapa de lípidos, a la cual se le ha identificado como la región del poro (asa-P) (Figura 1). Entre las cuatro asas-P del tetrámero forman la estructura del poro responsable de proporcionar las características de selectividad iónica del canal, esto es, el filtro de selectividad iónica (1). Por su parte, los canales funcionales de Na+ y Ca2+ están constituidos por una sola subunidad α de gran tamaño, que contiene cuatro dominios homólogos (I-IV) cada uno de los cuales tiene seis segmentos transmembranales (Figura 1). Aunque las subunidades α son capaces por sí mismas de conducir iones, el complejo molecular de los canales iónicos generalmente incluye una o más proteínas accesorias conocidas como “subunidades auxiliares” que juegan importantes papeles modulatorios y estructurales. Estas subunidades auxiliares se subdividen en dos clases principales. La primera de ellas consiste de las subunidades enteramente citoplasmáticas (no contienen segmentos transmembranales) tales como las subunidades β de los canales de K+ y de Ca2+. La otra clase de subunidades auxiliares engloba aquéllas que contienen al menos un dominio transmembranal, entre estas proteínas se encuentran las subunidades α2 δ y γ de los canales Ca2+, y las subunidades β de los canales de Na+. La mayoría de los canales de K+ no poseen subunidades auxiliares que crucen la membrana plasmática, aunque existen al menos tres familias de proteínas, entre las que se encuentran las subunidades minK, MIRP y BKβ, que pueden ser incluidas en esta categoría (7). En la subfamilia S4, cada una de las 4 subunidades que forman el canal esta compuesta por 6 dominios transmembranales y una asa-P ( canales Kv, SK, CNG, HCN) o por 7 dominios transmembranales y un asa-P (canales BK). El cuarto segmento transmembranal (S4) posee algunas cargas positivas (Lisinas y Argininas). Los canales iónicos dependientes de voltaje poseen un filtro de selectividad y un poro acuoso o cavidad interna resguardado hacia el interior de la célula por una compuerta de activación. El que la compuerta se encuentre cerrada o abierta depende de la posición de un sensor de voltaje, que es una estructura transmembranal del canal que se encuentra cargada y que sensa el voltaje transmembranal. El estrecho filtro de selectividad, se encuentra localizado cerca del lado extracelular del poro, y determina si un canal es selectivo a iones de sodio, potasio, calcio o cloro (Figura 2).

Canales iónicos: estructura y propiedades

Bicapa lipídica

Lado intracelular

Lado extracelular

Sensor de voltaje

Compuerta

Poro acuoso

Filtro de selectividad

Azúcares

Proteína de anclaje

23 [nm]

Figura 2. Esquema de la estructura de un canal iónico dependiente de voltaje. Para simplificar el esquema se muestran sólo dos de las subunidades que conforman el canal, las cuales, según se aprecia, sufren modificaciones post-traduccionales, como fosforilación y glucosilación. En cada subunidad se destaca la parte fundamental del sensor de voltaje, que son aminoácidos cargados positivamente y se localizan en el cuarto dominio transmembranal. Entre las dos subunidades se aprecia el poro acuoso a través del cual fluyen los iones y la compuerta de activación, que controla el flujo de iones a través del poro transmembranal. En el lado extracelular está localizado el filtro de selectividad, que como su nombre lo indica, determina que iones permearán a través de este canal.

Las corrientes generadas por el movimiento transmembranal de iones pueden ser medidas con la técnica de fijación de voltaje. Esta técnica experimental es utilizada para controlar el voltaje a través de la membrana de una manera muy precisa y nos permite medir los cambios dependientes de tiempo de la corriente resultante (Figura 3).

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Fijación de voltaje Voltaje de membrana Voltaje comando Amplificador

Amplificador

Electrodo de registro de voltaje

Célula

Electrodo para aplicación de corriente

Corriente de membrana Convertidor corriente - voltaje Figura 3. Representación esquemática del circuito empleado para realizar la técnica de fijación de voltaje.

Un microelectrodo es empalado dentro de la célula para registrar el voltaje transmembranal; un segundo electrodo es empalado y utilizado para inyectar corriente a la célula. Un amplificador de fijación de voltaje es utilizado para comparar el voltaje transmembranal medido por el primer electrodo con el voltaje comando que es seleccionado por el experimentador. El amplificador de fijación de voltaje inyecta la corriente suficiente a través del segundo electrodo, de tal manera que el voltaje transmembranal iguala el potencial comando. Un convertidor corriente-voltaje es utilizado para medir la corriente resultante de membrana. Como la membrana de las células contiene muchos tipos de canales iónicos, la corriente de membrana resultante es la suma de todas esas corrientes que son activadas en respuesta a un cambio en el potencial de membrana. Por lo tanto, un experimentador usualmente utiliza diferentes protocolos de pulsos y bloqueadores específicos de las corrientes que le permitan en un experimento medir algún tipo de corriente especifica. De esta manera la técnica puede ser utilizada para medir la dependencia de tiempo y voltaje de las corrientes conducidas a través de un tipo específico de canal iónico.

Canales iónicos: estructura y propiedades

Corrientes de K+ registradas con fijación de voltaje

La magnitud de lk es dependiente de la conductancia relativa y del potencial electroquímico

+40

Voltaje

(mV)

grel

-80

1.0

0.5

Activación

Corriente

(nA)

1 nA

Ik = Gmax x grel x (V - Ek)

Pendiente = Gmax

Magnitud de la corriente lk puede también ser obtenida mediante registro de canal único

N = Número total de canales en una célula

Po <1

Amplitud de corriente unitaria

Ik = N x Po x i Figura 4. a. Ilustración de la corriente de potasio registrada al fijar el voltaje de la membrana a 0 y +40mV, partiendo de un potencial basal de -80mV. b. Factores que influyen la magnitud de una corriente iónica. c. Registros de corriente de potasio obtenida de un canal aislado.

Las corrientes medidas utilizando la fijación de voltaje en la versión de “célula completa” resultan de la apertura de miles de canales iónicos (Figura 4A). Si las corrientes son registradas en respuesta a diferentes pasos de cambio en el voltaje transmembranal, una familia de registros de corriente es obtenida que se conoce como relación corrientevoltaje (Figura 4B). Una variación de la técnica de fijación de voltaje, llamada patch (“parche”) clamp, permite registrar la corriente generada por la actividad de canales únicos (Figura 4C). Debido a que el “parche” de membrana dentro del electrodo de registro contiene un solo canal, el registro de la transición repetida de canales del estado de reposo al abierto, puede ser observado, en respuesta a la aplicación repetida de un pulso de voltaje. Los trazos de corriente registrados son promediados para generar un “ensamble” de corrientes que tiene las mismas propiedades cinéticas que las corrientes registradas en experimentos de “célula completa”. La amplitud de las corrientes registradas en célula

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completa (I) son la resultante de la actividad de un número (N) de canales presentes en la célula, que se activan con una probabilidad (Po), con una amplitud de corriente de canal único (i). De tal manera que: I = N x Po x i Un diagrama de los estados de canal que determinan la apertura y cierre de los mismos es presentado en la figura 5. La compuerta de activación se abre en respuesta a una despolarización de la membrana (+V), permitiendo el paso de iones a través del poro desde el interior hacia el exterior de la célula (o en la dirección opuesta, dependiendo del gradiente transmembranal del ion permeante).

Cerrado (reposo) Ext.

Abierto (activado)

+V -80 mV

Int.

0 mV

Compuerta de activación Bola de activación

-V

0 mV Inactivado

0 mV

Cerrado (desactivado)

Figura 5. Diagrama simplificado que muestra los proceso de apertura, cierre e inactivación tipo N de un canal de potasio activado por voltaje.

Canales iónicos: estructura y propiedades

Algunos canales pueden inactivar, esto es una pérdida dependiente de tiempo de la conductividad por una serie de mecanismos conocidos como inactivación. El mecanismo de inactivación mejor estudiado es el de la inactivación tipo N, presente en algunos canales de potasio activados por voltaje. Éste involucra la unión de la región N-terminal a la parte interna del poro, impidiendo así el paso de iones a través del mismo (17). Cuando la membrana es repolarizada (-V) se produce una recuperación de la inactivación y un regreso de la compuerta de activación de los canales al estado cerrado.

Propiedades de los canales iónicos activados por voltaje Una de las propiedades más importantes de los canales iónicos son la selectividad iónica, que se refiere a la capacidad de los canales de discriminar entre especies iónicas, permitiendo únicamente el paso a través del poro de alguna especies iónicas y excluyendo otras. La otra propiedad importante es la activación, que permite pasar al canal del estado cerrado al abierto (mecanismo de compuerta o “gating”). Selectividad. El movimiento de los iones a través de los canales iónicos depende del gradiente electroquímico y de la permeabilidad del poro (1). En canales con poros muy grandes como los canales (conexinas) que forman las uniones comunicantes (gap junctions), éstas funcionan como coladeras y solamente discriminan en base al tamaño del ion (21, 24). En la mayoría de los casos, sin embargo, los canales iónicos son muy estrictos en la selección. Otros canales, particularmente los que pertenecen a la familia de los que poseen asaP, son más discriminatorios, lo que nos indica que la existencia en los canales del asa-P es una propiedad necesaria para tener una selectividad exquisita, aunque lo inverso no es necesariamente cierto, no todos los canales con asa-P son altamente selectivos a iones de carga similar. Los canales de K+ son de 100 a 1,000 veces más selectivos a potasio que a sodio, no obstante que el Na+ no hidratado es más pequeño. La región del filtro de selectividad de la mayoría de canales de K+ (Figura 6) incluye una secuencia de tres aminoácidos altamente conservados (GYG, GFG, o GLG). La estructura de rayos X del canal de K+ KcsA reveló que los grupos carbonilo de los residuos GYG se alinean en la superficie del poro. El filtro de selectividad de los canales es formado por las asas-P de cada subunidad. En solución, cada ion K+ es circundado por 8 moléculas de agua. Cuando el ion K+ se aproxima al filtro de selectividad, las moléculas de agua son eliminadas y son funcionalmente reemplazadas por la estructura de los oxígenos de los grupos carbonilo de los aminoácidos que forman el filtro de selectividad. El filtro de selectividad es ocupado todo el tiempo por dos iones de K+, cada uno circundado por 8 átomos de oxígeno de los grupos carbonilo. Esta coordinación define la alta afinidad del sitio por los iones K+. La repulsión electrostática de los dos iones K+ en el

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filtro de selectividad produce la alta velocidad del paso de los iones a través del poro. El espaciamiento de los oxígenos de los grupos carbonilo dentro del filtro de selectividad es tal que el ion K+ pero no el ion Na+ puedan coordinarse. Así, los canales de potasio son altamente selectivos para K+ y no para Na+, aun cuando Na+ en su forma deshidratada tiene un radio más pequeño que el K+.

Citoplasma

Membrana plasmática

Exatracelular

Figura 6. Localización del filtro de selectividad en un canal de potasio (área encerrada en un círculo rojo). En la figura se muestran dos de las cuatro subunidades que conforman el canal.

Diferentes especializaciones pueden también explicar las altas selectividades de cada tipo de canal para Ca2+, Na+ y Cl- (6, 25). En los canales de Na+ y Ca2+, el filtro de selectividad está formado por un anillo de cuatro aminoácidos, cada uno de los cuales es aportado por las regiones P de cada uno de los cuatro dominios homólogos. En los canales de Ca2+, este anillo lo constituyen cuatro glutamatos mientras en los canales de Na+ los forman cuatro aminoácidos distintos. El cambio de un glutamato por una lisina en el asa P del dominio III hace que los canales de Na+ pierdan su selectividad y conduzcan también Ca2+.

Canales iónicos: estructura y propiedades

Mecanismos de compuerta (gating). La apertura y cierre de la mayoría de canales iónicos es regulada por señales biológicas, tales como la unión de ligandos extracelulares o intracelulares (canales dependientes de ligando), por cambios en el potencial de membrana (canales dependientes de voltaje), cambios en la temperatura o por estrés mecánico. En muchos casos, el mecanismo de apertura y cierre es influido por reacciones bioquímicas como fosforilación, en un proceso conocido como modulación. Estudios estructurales han demostrado que la mayoría de los canales son cerrados por una “compuerta” que actúa como una barrera física al movimiento de los iones. La compuerta de los canales que forman las uniones comunicantes (conexinas) funcionan como el iris del diafragma de una cámara. En los canales que tienen asa-P, los segmentos transmembranales que forman la pared interna del poro actúan como compuertas. En el estado cerrado del canal, las cuatro hélices que forman los dominios transmembranales S6, cerca de su lado citoplasmático se entrecruzan, formando de esta manera el extremo de una sombrilla invertida (Figura 7). Cuando el canal se encuentra en el estado cerrado, la apertura del poro es demasiado pequeña para permitir el paso de los iones. El canal se abre cuando las hélices de los segmentos S6 sufren un doblez hacia afuera, lo que aumenta el diámetro de la apertura y el paso de los iones (Figura 7) (6).

Cerrado Mostradas 2 de 4 subunidades

Abierto K+ H2O

Figura 7. La compuerta de activación del canal de potasio está formada por el entrecruzamiento de hélices internas. En respuesta a una despolarización de la membrana los canales se abren y esto ocurre cuando las hélices internas (equivalente al dominio “S6” de los canales de K+ activados por voltaje) se mueven e incrementa así el tamaño del poro.

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Dependencia de voltaje. En los canales dependientes de voltaje de potasio, sodio y calcio, el 4o dominio transmembranal (S4) contiene amino ácidos cargados positivamente, lisinas y argininas localizadas en cada tercera posición, es decir una cargada y una neutra, así sucesivamente. Esas cargas positivas sensan el voltaje transmembranal. En respuesta a una despolarización de la membrana, el dominio S4 gira sobre su eje y se mueve hacia el exterior de la membrana. Este movimiento del dominio S4 induce la apertura de la compuerta de activación que se encuentra en el entrecruzamiento de los dominios S6 (Figura 8) (a)

P S1

Residuos de Lys y Arg en sensor de voltaje en S4

(b)

Subunidad de canal de K+

R362

R365 R368

K374 R377 K380

COO H2NCH CH2 CH2 CH2 NH C=NH2+ NH2+

COO H2NCH CH2 CH2 CH2 CH2 NH3+ Lisina (K)A

rginina (R)

Figura 8. El sensor de voltaje de los canales activados por voltaje está formado principalmente por residuos aminoacídicos cargados positivamente (arginina y lisina), que se localizan en el cuarto dominio transmembranal de cada subunidad.

Canales con dependencia de la unión de un ligando. En contraste a los canales activados por voltaje, los canales activados por ligandos (también llamados receptores ionotrópicos) son activados por la unión de un agente químico específico a un sitio de unión (receptor), usualmente localizado en la parte externa del canal iónico. Los ligandos incluyen acetilcolina, glicina y glutamato. Algunos canales pueden ser activados o inhibidos por unión de un agente químico a un sitio receptor intracelular. Por ejemplo los canales rectificadores entrantes inhibidos por ATP (KATP), los canales activados por nucleótidos cíclicos (CNG) que son importantes en la reopción sensorial.

Canales iónicos: estructura y propiedades

Los canales activados por ligando se dividen en tres clases, basados en su topología: • Receptores purinérgicos. • Receptores de asa-Cys, que incluye los canales activados por ácido γ-aminobutirico (GABA), glicina, acetilcolina (nicotínicos) y serotonina. • Receptores a glutamato (NMDA, AMPA y kainato). El principio básico del funcionamiento de la compuerta activada por la unión de un ligando es que los ligandos deben unirse con afinidades diferentes a las conformaciones abierta y cerrada del canal. Si un ligando se une con mayor afinidad al estado abierto del canal el ligando es un agonista, mientras que si la unión al estado cerrado del canal es de mayor afinidad es un antagonista. Hay algunas características comunes a la mayoría de los canales activados por ligando. En primer lugar, el sitio de unión del ligando es casi invariablemente localizado en la interfase de dos subunidades o dominios adyacentes. Esta conformación es energéticamente más favorable porque las interfaces entre los dominios sufren grandes cambios conformacionales al unirse el ligando a su sitio de unión, los cuales son necesarios ya que usualmente el sitio de unión del ligando se encuentra a una distancia considerable (aproximadamente 50 Ao) de la compuerta del canal. En segundo lugar, muchos canales activados por ligando tienen mas de un sitio de unión, lo que refleja su estructura multimérica. Funcionalmente esto es importante porque permite que se establezcan interacciones cooperativas entre los sitios de unión al ligando (1). Ejemplos de este tipo de canales son los receptores de acetilcolina (tiene dos sitios de unión), canales BK que tienen ocho sitios de unión de Ca2+ (14, 15, 20). Es necesario resaltar que hay canales, como el KATP, donde los sitios de unión al ligando, en este caso el ATP, actúan de forma independiente, la unión de una sola molécula de ATP es suficiente cerrar el canal. Finalmente, los dominios de unión al ligando se encuentran ligados al poro del canal a través de asa flexibles (1).

Receptores purinérgicos: Estos son canales activados por ATP, cada canal está formado por tres subunidades idénticas. Estos canales son permeables a Na+ y K+, y algunos de ellos median la entrada de Ca2+ a las células. La activación de estos canales confiere un efecto despolarizante excitatorio a las células.

Receptores a glutamato: Los canales iónicos receptores a glutamato (iGluRs) se clasifican considerando cual de los compuestos sintéticos AMPA (α-imino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolopropionato), kainato y NMDA (N-metil-D-aspartato) es más potente para activar el canal, de ahí que

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sean nombrados como receptores AMPA, receptores kainate y receptores NMDA. El ligando fisiológico de estos receptores es el glutamato y son los mayores mediadores de la transmisión sináptica excitatoria en el sistema nervioso central. Los iGluR están compuestos por cuatro subunidades conformadas por tres segmentos transmembranales y una asa-P, pero en este caso el asa se encuentra orientada hacia el interior de la membrana. Además, un dominio extracelular forma el sitio de unión del ligando (Figura 1). Todos los iGluR son permeables a Na+ y K+, sin embargo, a diferencia de otros receptores a Glu, los receptores NMDA son también permeables a Ca2+ y requieren para su activación de la unión de Glu y glicina o D-serina a un sitio alostérico en la región externa del canal. Además, los receptores NMDA son mil veces más sensibles a glutamato que los otros receptores a este ligando, por lo que juega un papel importante monitoreando la presencia de Glu en la hendidura sináptica .

Receptores de asa Cys La superfamilia de receptores de asa Cys constituye la mayor clase de canales iónicos acoplados a la unión de ligando. Ellos están formados por cinco subunidades proteicas y cada una posee una secuencia de 13 residuos aminoacídicos flanqueados por cisteínas, las cuales se unen covalentemente para formar un asa que se localiza entre el dominio de unión al ligando y el canal. Los receptores de asa Cys contienen cuatro segmentos transmembranales (Figura 1) y el poro está formado por la hélice del segundo segmento transmembranal de cada subunidad. Estos receptores se subdividen en canales selectivos a cationes o aniones, correspondiéndose con los receptores excitatorios activados por acetilcolina (ACh) o serotonina (5-hidroxitriptamina o 5-HT) y los receptores inhibitorios activados por GABA (ácido γ-aminobutírico) o glicina (18). Ambos receptores, catiónicos y aniónicos, pueden estar compuestos de cinco copias de un mismo tipo de subunidad, pero ellos están formados, mayormente por cinco tipos de subunidades diferentes. La formación de tales hetero-pentámeros, en combinación con los diferentes tipos de subunidades que existen, provee a las sinapsis de una gran variedad funcional de estos receptores (18). Los receptores a acetilcolina (ACh) ionotrópicos son canales iónicos activados preferencialmente por nicotina, aunque la ACh es su ligando natural. Los receptores a ACh nicotínicos (nAChR) están formados por el coensamblaje de cinco subunidades, siendo la composición específica de subunidades diferente en músculo esquelético y neuronas. Cada nAChR en músculo esquelético de adulto está constituido por dos subunidades α1, y una subunidad β1, una ε y una δ, sin embargo, en neuronas los nAChR están formados

Canales iónicos: estructura y propiedades

por dos subunidades α y tres subunidades β por canal. La presencia de diferentes subunidades no α le confiere diferentes afinidades a los dos sitios de unión por agonistas o antagonistas (18). La activación de un solo canal nAChR requiere la unión de dos moléculas de acetilcolina. Cuando ACh se une al canal, éste se abre y permite el flujo de diferentes cationes, pero excluyen el paso de aniones (20). Esto sucede debido a la presencia de anillos de cargas negativas que excluyen a los aniones (8). Los receptores 5-HT tipo 3 (5-HT3) son también canales selectivos a cationes. Estos median la despolarización neuronal y la excitación en los sistemas nerviosos central y periférico. Los receptores 5-HT3 están formados por cinco subunidades (A, B, C, D, E) y aunque la subunidad A al ser expresada heterólogamente puede formar un homopentámero y dar lugar a un canal funcional, las características de este canal son diferentes a la del canal expresado en células nativas. En estos receptores, al igual que en los nAChR, los determinantes de la selectividad iónica (es permeable sólo a cationes) se encuentran localizados en el segundo segmento transmembranal de sus subunidades. La presencia de cargas negativas en esta región es lo que le confiere la selectividad a cationes, cuando varias de estas cargas negativas son neutralizadas, el canal se convierte en un canal selectivo a aniones. La permeabilidad iónica de los receptores 5-HT depende de la composición de subunidades. El canal es igualmente permeable a cationes divalentes y monovalentes cuando está formado solamente por subunidades A, sin embargo, cuando se co-expresan las subunidades A y B se reduce la permeabilidad a Ca+2 comparado con la permeabilidad a monovalentes (2). Los receptores a GABAA y glicina conducen iones cloruro, estos canales poseen anillos de residuos cargados positivamente que los hacen selectivos a aniones. Como el Cltiene carga negativa, el flujo de este ión dentro de la célula produce una repolarización de la membrana. Los receptores a glicina se encuentran localizados en neuronas de la medula espinal y el tallo cerebral, mientras que los receptores GABAA están en neuronas a lo largo del cerebro. La activación de ambos tipos de canales media potenciales postsinápticos inhibitorios (IPSP), una hiperpolarización de la membrana postsináptica que reduce la excitabilidad de las neuronas.

Otros tipos de canales iónicos Canal regulador de la conductancia transmemembranal de la fibrosis quística La secuencia aminoacídica del CFTR (regulador de la conductancia transmemembranal de la fibrosis quística) inmediatamente se identifica como un miembro del amplio grupo de la superfamilia familia ABC (ATP-binding cassete) de transportadores de nutrientes, drogas y solutos que utilizan la energía de la hidrólisis del ATP. Sin embargo, el CFTR es el único miembro de esta familia que es un canal iónico. Este canal permite el

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paso de cloro, el cual es necesario para el normal funcionamiento del epitelio como las vías respiratorias y tracto intestinal. La compuerta que regula el paso del cloro a través del poro transmembranal es abierta cuando el ATP se une a dos dominios citoplasmáticos de unión a nucleótidos (NBD1 y NBD2) y mantienen al canal en el estado abierto. La hidrólisis de una de estas moléculas de ATP rompe las interacciones NBD1-NBD2 y el canal se cierra (5).

Canales TRP Los canales TRP o canales con potenciales transitorios del receptor, han sido divididos en dos grupos y siete subfamilias. El grupo 1 lo componen los TRPC (canonical), TRPV (vanilloid), TRPM (Melastatin), TRPA (Ankyrin), TRPN (no mechanoreceptor potential) y el grupo 2 los TRPP (Polycystin) y TRPML (Mucolipin) (16). En humanos se han descrito seis miembros de las subfamilias TRPC y TRPV, ocho miembros de la subfamilia TRPM, tres de las subfamilias TRPP y TRPML pero no han sido encontrado ningún miembro de la familia TRPN (22). Estos canales tienen una arquitectura básica similar a la de los canales activados por voltaje. Esto es, cuatro subunidades similares o idénticas con seis segmentos transmembranales (TM1-TM6) y extremos N- y C- terminales forman un tetrámero para formar un canal funcional. TM5, TM6 y el asa que conecta estos segmentos transmembranales forman el poro central que conduce cationes, mientras que TM1-TM4 y las regiones N- y C-terminales se cree que contengan los dominios regulatorios que controlan la compuerta del canal. Comparado con otros canales que poseen subunidades de seis segmentos de transmembrana, los canales TRPs tienen extremos N- y C-terminales extremadamente largos que contiene varios módulos regulatorios y, como sucede con los TRPM2, TRPM6 y TRPM7, pueden contener incluso enzimas funcionales (23). Los mecanismos a través de los cuales un determinado canal TRP es activado o regulado no pueden ser predichos en base a la subfamilia a la cual pertenece. Un ejemplo de esto son los canales sensibles a temperatura. Los canales TRPV1, TRPV2 y TRPV3 son activados por calor, mientras que los canales TRPM8 y TRPA, que perteneces a otra subfamilia, son activados por enfriamiento. A su vez, existen canales que son capaces de responder a estímulos térmicos y químicos, lo cual es muy relevante y permite entender por qué atribuimos sensaciones térmicas a diversos ingredientes de la comida. Los canales TRPV1 son activados por calor y por capsaicina, mientras que los TRPM8 son activados por enfriamiento y por mentol, de ahí que entendamos la sensación de calor y frío que le atribuimos al chile y al mentol. La activación de otros tipos de canales TRP median respuestas a estímulos dulces y amargos y otros son sensibles a protones (a bajo pH) (22).

Canales iónicos: estructura y propiedades

CONCLUSIONES El estudio de los canales iónicos, particularmente, su estructura y propiedades, ha sido de vital importancia para el desarrollo científico. El descubrimiento de diversas enfermedades que involucran directamente a los mismos, las cuales se conocen como canalopatías, han contribuido a revelar el importante y diverso rol fisiológico que tienen estas proteínas. A su vez, el conocimiento del funcionamiento de los canales iónicos ha permitido diseñar nuevos fármacos que actúan directamente sobre ellos, bloqueando su capacidad de conducir iones y mejorando así ciertas funciones fisiológicas que se encuentran afectadas. Aunque falta mucho por comprender acerca del funcionamiento de los canales iónicos, se espera que la próxima década traiga consigo nuevos descubrimientos que nos permitan entender mejor cómo los lípidos interaccionan con los canales iónicos, cómo las subunidades accesorias regulan la estructura de los mismos y cómo funcionan las compuertas de los canales.

AGRADECIMIENTOS Agradecemos el apoyo de la Secretaría de Educación Pública (SEP) y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por su apoyo a través del proyecto número 2004-C01-47577 (al Dr. José Antonio Sánchez Chapula).

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ASPECTOS FUNCIONALES DEL MÚSCULO Y SU INTERACCIÓN DE CONTROL POR PARTE DEL SNC Capítulo 4 Jesús Muñiz Centro Universitario de Investigaciones Biomédicas Universidad de Colima Colima, Colima, México

INTRODUCCIÓN Los músculos estriados son los órganos más abundantes del organismo, constituyen alrededor del 40% del peso total del cuerpo, y por lo mismo son los efectores con mayor frecuencia de uso en las respuestas integradas del sistema nervioso. Es difícil determinar el número de músculos estriados pues algunos con más de un vientre (digátricos o poligástricos) se contabilizan alternativamente como uno o varios. La mayoría son simétricos excepto los circulares que rodean orificios. Se estima que pueden llegar a 650, de los cuales alrededor de 500 músculos estriados están asociados al esqueleto, por lo cuál son llamados músculos esqueléticos; los principales por tamaño y función se distribuyen en el cuerpo como se muestra en la Tabla 1 (18).

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Distribución corporal de los músculos esqueléticos en el humano Región

Número de músculos

Cabeza

Tronco

190

Miembro superior

Miembro inferior

104

Músculos profundos

La contracción de los músculos esqueléticos provoca el movimiento del esqueleto, este efecto se explica porque su línea de acción o eje de contracción cruza uno o más ejes articulares. La línea de acción se traza entre las inserciones proximal y distal. La acción de cada músculo depende de la manera como la línea de acción cruza los ejes articulares. Un músculo funciona siempre asociado a la acción de otros músculos, tanto agonistas cuando actúan en la misma dirección, como antagonistas que se oponen a la acción, constituyendo cadenas de movimiento de gran precisión coordinadas por el sistema nerviosos central. A continuación se describe la función muscular en cada región corporal. La figura 1 muestra los principales músculos esqueléticos superficiales.

Aspectos funcionales del músculo y su interacción de control por parte del SNC

Figura 1. Músculos superficiales: 1) Músculo temporal. 2) Músculo orbicular del ojo. 3) Músculo mayor cigomático. 4) Músculo esternocleidomastoideo. 5) Músculo deltoides. 6) Músculo supinador largo. 7) Músculo palmar mayor. 8) Músculo adductor corto del pulgar. 9) Músculo tensor de la fascia lata. 10) Músculo sartorio. 11) Músculo adductor largo. 12) Músculo recto interno del muslo. 13) Músculo vasto externo. 14) Músculo recto anterior del muslo. 15) Músculo vasto interno. 16) Músculo sóleo. 17) Músculo tibial anterior. 18) Músculo gastronemio. 19) Músculo frontal. 20) Músculo orbicular de los labios. 21) Músculo trapecio. 22) Músculo pectoral mayor. 23) Músculo serrato anterior. 24) Músculo bíceps braquial . 25) Músculo oblícuo externo del abdomen. 26) Músculo recto del abdomen. 27) Músculo radial primero externo. 28) Músculo peroneo lateral largo. 29) Tendón de Aquiles. 30) Músculo sóleo. 31) Músculo occipital. 32) Músculo esplenio de la cabeza. 33) Músculo dorsal ancho. 34) Músculo fascia lumbo dorsal . 35) Músculo glúteo mayor. 36) Músculo semitendioso. 37) Músculo bíceps femoral. 38) Músculo peroneo lateral largo.

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Músculos de la cabeza Realizan las complejas tareas de la mímica asociada a la expresión de emociones, también son responsables de las tareas de la masticación y deglución así como de la oclusión del ojo y la boca.

Músculos del tronco En esta región los músculos se distribuyen en tres capas orientadas en sentidos opuestos, entre ellos tenemos los músculos intercostales que ejecutan la inspiración y la espiración forzada bajo control específico de los centros respiratorios ubicados en el tronco cerebral. Los músculos abdominales y laterales del abdomen, junto con los del dorso, dan continuidad a la acción mecánica en la columna vertebral para mantener erguido al individuo. Además, los músculos que se insertan en las vértebras producen el movimiento de cada una de manera independiente. Los músculos más fuertes y grandes son los extensores pues ésta es la función más recurrente en el tronco.

Músculos del miembro superior El brazo está unido al tronco por los músculos pectoral y serrato mayor por el frente y el gran dorsal y trapecio por detrás. El deltoides es el músculo operador, junto con los anteriores, de los movimientos del brazo respecto al tronco. El resto de los músculos del brazo se agrupan en los flexores: bíceps y braquial anterior y por atrás, el extensor tríceps braquial. Los músculos del antebrazo de la cara anterior se agrupan en: los flexores y pronadores (rotadores de la mano hacia adentro), y los supinadores largo y corto. Mientras que en la cara posterior del antebrazo se localizan los músculos extensores. Los músculos más prominentes en la palma de la mano son los tenares que auxilian los movimientos del pulgar, mientras en el borde interno de la palma se ubican los músculos auxiliares del pulgar llamados hipotenares. Entre los cinco huesos metacarpianos, de la palma de la mano, se insertan los músculos interóseos que flexionan la primera falange. La flexión de las dos últimas falanges depende de la acción de los músculos del antebrazo a través de largos tendones en cuyo trayecto son envueltos por vainas de tejido conectivo que hacen las veces de puntos de apoyo para transmitir la fuerza hasta los puntos de inserción. El dorso de la mano es la región por donde transcurren los tendones de los músculos extensores para insertarse en las falanges.

Músculos del miembro inferior Constituyen un conjunto de poderosos músculos que soportan el cuerpo, ejecutan la marcha y los actos motores relacionados con el desarrollo de trabajo como levantar, empujar y jalar. Destaca por su tamaño el glúteo mayor, es un músculo extensor y rota-

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dor del fémur que se inserta en el coxal y el fémur, interviene en la marcha y la posición erecta. La flexión del fémur, y por consecuencia el muslo, depende del psoasilíaco, músculo peculiar formado por dos secciones, el psoas propiamente dicho, que se inserta en la columna vertebral a nivel de la dorsal XII y la inserción distal en la cara interna de la cadera, donde se continúa con la sección iliaca hasta insertarse en el fémur; dado su eje de acción, además de flexionar la pierna mantiene fijos los miembros inferiores y participa en la flexión del tronco. Combinados con estos músculos se localizan otros que coadyuvan en la función de mantener en equilibrio la cadera, entre ellos se cuentan los aductores, que mantienen los miembros inferiores en la línea media. En la cara anterior del muslo destaca el cuádriceps formado por cuatro cabezas musculares que incluyen el rector anterior, y los vastos interno, lateral e intermedio. El sartorio es otro de los músculos de la cara anterior del muslo. La función de este grupo muscular es la extensión de la pierna y la flexión de la cadera. En la cara posterior de la pierna encontramos la masa muscular más voluminosa de este segmento del miembro inferior. El tríceps sural formado por los gemelos y el sóleo se insertan mediante el tendón de Aquiles al calcáneo. Participa en el mantenimiento de la postura de pie y la marcha al extender el pie. En la cara anterior se encuentran músculos relacionados con la flexión del pie y el mantenimiento de la tensión de la bóveda plantar. En el pie existen múltiples músculos interóseos responsables del mantenimiento del arco plantar y los movimientos de los dedos.

Estructura del músculo esquelético Organización Extracelular Cubiertas de tejido conectivo. Para la función del músculo, el tejido conectivo es tan importante como las fibras musculares porque participa en: a) la organización de la estructura de los músculos, b) en la transmisión de la fuerza a los puntos de inserción y c) en el almacenamiento y recuperación de energía potencial elástica. El tejido conectivo muscular está formado principalmente por colágena secretada por los fibroblastos. El tejido conectivo muscular está organizado en tres niveles: epimisio, perimisio y endomisio. El epimisio es la fascia de tejido conectivo particularmente fuerte que rodea a los músculos separándolos entre sí. El epimisio se continúa con el perimisio. El perimisio es también una cubierta fuerte y relativamente gruesa, divide al músculo en paquetes de 20 a 150 fibras llamados fascículos y proporciona la ruta para los vasos sanguíneos y nervios. Finalmente, cada fibra muscular está cubierta y separada de las adyacentes por una fina capa de tejido conectivo llamada endomisio, que se liga al perimisio. Además hace conexiones con la membrana basal de las fibras musculares.

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La membrana basal se localiza entre el endomisio y el plasmalema; es una cubierta de matriz extracelular flexible y delgada de 40 a 120 nm de grosor y conformada por diferentes capas con distintas estructuras. En ella se localizan las proteínas que contribuyen a la asociación de la matriz extracelular con el citoesqueleto intracelular de las fibras musculares. Por su parte, el citoesqueleto es una estructura que mantiene ordenadas las miofibrillas y sarcómeras. Así, en conjunto, este orden le confiere continuidad mecánica a los músculos, desde el nivel de organelos intracelulares hasta el nivel macroscópico del músculo completo en su participación en las cadenas de movimiento. De lo anterior se concluye que las tres capas de tejido conectivo están acopladas y confluyen en los extremos de las fibras, de los fascículos y del músculo completo para formar los tendones; estos últimos conectan ambos extremos del músculo mediante un fuerte entrecruzamiento de las fibras de colágena de los tendones y del periostio de los huesos. La variabilidad en las características de la colágena sugiere roles específicos en los diferentes tipos de locomoción y en músculos con diversas demandas funcionales. Pocos estudios se han enfocado sobre las colágenas y su relación con las propiedades contráctiles de los músculos. Se reconoce que los músculos con altas cantidades de tejido conectivo son capaces de realizar movimientos finamente regulados. También está claramente establecido que los músculos lentos contienen más colágenas que los músculos rápidos. Además los músculos lentos, por sus características de inervación y resistencia a la fatiga, son capaces de desarrollar tensión de manera continua por largos periodos. Un ejemplo son los músculos extraoculares de mamífero que poseen fibras musculares lentas y son capaces de realizar movimientos suaves y precisos (6, 14, 15, 17) . Estudios con microscopía electrónica de barrido (1, 2) demuestran diferencias obvias entre músculos rápidos y lentos en el arreglo del tejido conectivo intramuscular. El músculo lento sóleo tiene un perimisio más desarrollado que el músculo rápido extensor digital largo o plantaris. Así, además de las características moleculares de la colágena, el arreglo de las estructuras supramoleculares también determinan el funcionamiento del tejido conectivo en el músculo esquelético.

Organización Celular Las fibras musculares son células que se originan por la fusión de células mononucleadas llamadas mioblastos en la etapa embrionaria. Este origen explica la presencia de miles de núcleos en cada fibra, se estima unos 250 núcleos por mm lineal. En el interior de las fibras los organelos más abundantes son las miofibrillas, responsables de la contracción muscular, constituidas por haces de proteínas filamentosas organizadas en sarcómeras (Fig. 2).

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Figura 2. Organización celular. Los músculos están formados por fibras musculares. Los organelos más abundantes son las miofibrillas. Las estriaciones del músculo esquelético se deben a la alternancia de las bandas obscuras A y clara I. Las bandas I están divididas en dos mitades por la línea Z y cada banda A tiene una zona clara: la zona H. El centro de cada zona H es la oscura región M. En el recuadro aparece un sarcómero que muestra el arreglo de los miofilamentos gruesos y delgados. En la parte inferior izquierda se observa el detalle de la composición de los miofilamentos. A la derecha se presenta, en un corte transversal, la distribución de los miofilamentos en diferentes niveles sarcoméricos (modificado de Gartner & Hiatt, 1994).

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La sarcómera (sarcómero) es la unidad funcional de la fibra muscular pues es posible, mediante disección fina, aislar y observar la contracción de una sola sarcómera si se aplica el estímulo adecuado (8). En estado de reposo tiene una longitud de 2.5 micrómetros. Está formada, básicamente, por tres tipos de filamentos: los gruesos, los delgados y los conectores. Los filamentos gruesos están mayoritariamente formados por la proteína miosina poseedora de los puentes cruzados y proteína titina. Los filamentos delgados formados principalmente por actina, troponina (formada por TnC-TnI-TnT), tropomiosina y nebulina. Los filamentos conectores se constituyen por titina, proteína de alto peso molecular que mantiene a los filamentos gruesos en posición central en la sarcómera y contribuye a la transmisión y recuperación elástica de la tensión. Los filamentos se empaquetan en cada sarcómera ordenados en dos bandas claras (bandas I) que flanquean a una obscura (bandas A), la división entre sarcómeras contiguas son los discos Z, lugar en el que se anclan los filamentos delgados y los conectores. Las fibras musculares están cruzadas por miles de túbulos transversales (túbulos T) que prolongan el espacio extracelular hacia las zonas centrales del espacio intracelular. En los mamíferos cada túbulo T rodea a las sarcómeras a nivel de los límites entre bandas A e I. Un sistema de túbulos longitudinales, el retículo sarcoplásmico (RS), envuelve a las miofibrillas como un brazalete que termina en un ensanchamiento llamado cisternas terminales a lado de cada Túbulo T. Al conjunto de un túbulo T y las dos cisternas terminales que lo flanquean se le conoce como triada. La función de la triada es la propagación del potencial de acción por el túbulo T y la liberación de calcio desde el RS, ión necesario para la activación de las proteínas contráctiles de los filamentos gruesos y delgados. En los espacios entre miofibrillas se observan las mitocondrias, cuya participación consiste en el aporte de Adenosín Trifosfato (ATP) que es la fuente de energía química para la activación contráctil y la recaptura del calcio liberado por el RS (Fig. 3).

Aspectos funcionales del músculo y su interacción de control por parte del SNC

Figura 3. Vista tridimensional del retículo sarcoplásmico y del sistema de túbulos transversos (túbulos T), dentro de una fibra muscular (modificado de McArdle, et al., 1996).

Mecanismos de la Contracción Muscular La contracción consiste en el acortamiento muscular a consecuencia de la disminución de la longitud sarcomérica en las fibras musculares.

Teoría de los filamentos deslizantes La forma de cómo se contraen las fibras de músculo esquelético se deduce de dos estudios con microscopía realizados por Andrew Huxley y Hugh Huxley en los años

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cincuenta. Ambos investigadores observaron que la anchura de la banda A permanece constante tanto durante la contracción como en el estiramiento, mientras que la anchura de la banda I disminuye en la contracción pero aumenta en el estiramiento. De forma independiente propusieron que sus hallazgos podrían explicarse por un movimiento deslizante de los filamentos delgados pasando sobre los filamentos gruesos (9, 10). La teoría de los filamentos deslizantes, por lo tanto, propone que un músculo se acorta o se alarga porque los filamentos gruesos y delgados se deslizan unos sobre otros sin cambiar sus longitudes (Fig. 4).

Figura 4. Teoría de los filamentos deslizantes. A) Estado relajado. B) Estado contraído, el ancho de la banda A no cambia, la longitud los filamentos gruesos y delgados permanece constante, sólo disminuye la amplitud de las bandas I mientras que los filamentos conectores son comprimidos y los discos Z estirados. Estos cambios en los filamentos conectores y los discos o líneas Z representan energía potencial elástica que contribuye a la recuperación de la longitud sarcomérica de reposo (estado relajado).

Una vez establecida la teoría de los filamentos deslizantes se cuestionó acerca del mecanismo que impulsa dicho deslizamiento. La clave central fue la observación de los puentes cruzados o cabezas de miosina (Figura 2) que se proyectan desde el filamento grueso hacia el delgado, y que da la pauta para plantear la teoría de la acción del puente cruzado.

Teoría de los puentes cruzados: Mecanismo de acción de los puentes cruzados La teoría de los puentes cruzados implica la unión intermitente de la actina de los filamentos delgados con los puentes cruzados de la miosina del filamento grueso. En

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condiciones estructurales naturales en la sarcómera en reposo, la interacción de la actina con miosina está inhibida por la troponina (TnI) y la tropomiosina (Figura 5A) y los puentes cruzados tienen ligado Mg-ATP (ATP). En estas condiciones, el ATP se encuentra en pasos intermedios de hidrólisis y no tiene desarrollo de tensión.

Figura 5. Inhibición de la interacción actina-miosina y activación por Ca++. A) En estado de reposo la tropomiosina se interpone entre los sitios activos de la actina y los puentes cruzados (cabezas) de la miosina. B) La unión del calcio (Ca++) a la troponina desplaza a la tropomiosina permitiendo la formación del complejo actomiosina. C) Esta acción completa la hidrólisis del ATP y la liberación del ADP y Pi produciéndose el golpe de fuerza que desplaza al filamento delgado.

La activación se presenta cuando un potencial de acción invade los túbulos T transmitiendo una señal a través de receptores membranales al RS para la liberación de calcio. El calcio difunde siguiendo su gradiente electroquímico intracelular desde el RS hacia

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las proteínas contráctiles con alta afinidad por calcio, especialmente la troponina (TnC) de los filamentos delgados. Los cuatro calcios que se fijan en esta proteína inducen el desplazamiento de la troponina y la tropomiosina, permitiendo la interacción del puente cruzado con la actina para formar el complejo actomiosina con actividad ATPasa mayor que la del puente solo, y se completa la hidrólisis del ATP, liberando el fosfato inorgánico (Pi) (Fig 5B) y luego el ADP (Fig 5C). La hidrólisis del ATP libera la energía suficiente para la acción mecánica del puente desplazando el filamento delgado unos 5 nm. En este momento una nueva molécula de ATP se une al puente y separa el complejo actomiosina. Si el calcio continúa presente se repite el ciclo de hidrólisis. Así, los puentes cruzados actúan cíclicamente como remos en el agua, jalando a los filamentos de actina. No todos los puentes cruzados actúan de manera sincrónica, de ser así, observaríamos un músculo acortándose en etapas, por el contrario, sus acciones asincrónicas independientes dan lugar a un movimiento continuo.

Cabezas de miosina: impulso motor En el modelo propuesto por Rayment, et al.(19), para explicar la acción del puente cruzado, considera como la primera etapa la formación del complejo de rigor, formado por la unión de la actina con la miosina en ausencia de ATP (Figura 6A). Luego, una molécula de ATP se une a la cabeza de miosina desuniéndola de la actina permitiendo que se separe unos 5 nm del filamento delgado (Figuras 6B y 6C). El ATP es entonces hidrolizado, pero los productos (ADP y Pi) permanecen dentro de la cabeza de miosina para formar un complejo intermedio. Posteriormente, en presencia de calcio, según se describió antes, el puente cruzado se vuelve a unir a la actina a 5 nm del sitio anterior (Figuras 6D). La nueva unión provoca la expulsión del Pi. A su vez, la pérdida de Pi ocasiona que se libere el ADP y es en este momento cuando la parte inferior de la cabeza de miosina se dobla (Figura 6E); este es el impulso motor durante el cual se produce la fuerza y el filamento de actina es movido 5 nm hacia el centro de la sarcómera. Las moléculas de actina y miosina permanecen unidas hasta que otra molécula de ATP se une al puente cruzado. El ciclo de los puentes cruzados se repite si existen concentraciones adecuadas de ión calcio y ATP-Mg.

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Figura 6. Esquema hipotético del ciclo de puentes cruzados propuesto por Rayment, et al., (1993). Con el propósito de simplificar el esquema se suprimió la representación de la Troponina y la Tropomiosina. La estructura en negro es el puente cruzado en el que se localiza una hendidura en donde se liga el ATP-Mg (modificado de McComas, 1996).

Un ciclo completo de puentes cruzados dura aproximadamente 50 ms, tiempo en que la cabeza de miosina se une al filamento de actina por sólo 2 ms. El impulso motor es, por lo tanto, un evento breve. En experimentos extraordinariamente minuciosos se hizo interactuar a moléculas de miosina individuales con filamentos de actina y fue posible estimar las fuerzas y movimientos desarrollados por puentes cruzados individuales (5). Los movimientos de los filamentos delgados, medidos sin carga, promedian 11 nm y una sola cabeza de miosina genera una fuerza entre 3 y 4 pN. Se supone que la energía liberada por la hidrólisis del ATP causa que los puentes cruzados oscilen entre un ángulo de 90º a otro de 45º respecto al eje longitudinal del filamento grueso. Esta inclinación produce el movimiento deslizante que origina la tensión y transcurre a una velocidad de 15 μm/s. El trabajo de los puentes cruzados sobre la actina se ha comparado a la acción de una persona escalando con una soga utilizando alternativamente los brazos, al repetir este proceso la persona logra trasladarse.

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Organización funcional del sistema muscular Tipos de fibras musculares Los músculos maduros de los mamíferos contienen una mezcla de fibras de sacudida rápida y lenta (Figura 7), inervadas por axones motores de motoneuronas alfa con propiedades específicas para cada tipo de fibra. El desarrollo de tensión y la velocidad de acortamiento intrínseco de las fibras de sacudida rápida, es de tres a cinco veces mayor que la de las fibras clasificadas como de sacudida lenta (13). Fibras de sacudida rápida (Tipo II). Las fibras musculares de sacudida rápida (tipo II) están inervadas por motoneuronas que pueden disparar potenciales de acción a altas frecuencias y tienen altas velocidades de conducción, desarrollan tensión rápidamente pero pueden mantenerla sólo por cortos periodos de tiempo. Además, poseen un rápido nivel de liberación y recaptura de Ca++ debido a su retículo sarcoplásmico altamente desarrollado. Estas actividades se conjugan para la ejecución de acciones potentes y rápidas.

Figura 7. Características de velocidad, fuerza y fatiga de unidades motoras. Las motoneuronas que disparan con ráfagas de potenciales de acción a alta frecuencia se denominan rápidas; inervan a las fibras musculares rápidas y forman unidades motoras con capacidad para respuestas explosivas de alta

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velocidad de acortamiento y gran fuerza pero se fatigan pronto. La motoneuronas que disparan más lentamente por largos periodos son llamadas lentas e inervan a las fibras musculares lentas formando unidades motoras con capacidad para desempeños de larga duración por su poca fatiga aunque de menor fuerza. Entre estos extremos de unidades motoras rápidas y lentas, en opinión de varios autores, existen motoneuronas y sus correspondientes fibras musculares con propiedades intermedias (modificado de McArdle et al., 1996).

Se reconoce una subclase de fibras de sacudida rápida con valores intermedios de tensión, velocidad de acortamiento y resistencia a la fatiga entre las fibras de sacudida rápida y lenta. Las fibras de sacudida rápida son reclutadas para desarrollar actividades que requieren un desempeño explosivo de velocidad y fuerza. La activación de las fibras rápidas es importante en los deportes como la halterofilia. Esas actividades requieren aporte rápido de energía que es proporcionado por las reservas de ATP y la ruta metabólica anaerobia. Fibras de sacudida lenta (Tipo I). Las fibras musculares de sacudida lenta (tipo I) están inervadas por motoneuronas que disparan a bajas frecuencias y tienen una velocidad de conducción lenta. Pueden generar tensión por largos periodos de tiempo, tienen menor habilidad para manejar el Ca++. Asimismo, la velocidad de acortamiento es comparativamente menor. Las fibras lentas poseen mitocondrias más grandes y en mayor número. Esta alta densidad de mitocondrias, que incluye los citocromos que contienen hierro y los altos niveles de mioglobina, es lo que da a las fibras lentas su pigmentación roja característica (4, 7, 12) . Así, las fibras lentas son resistentes a la fatiga y aptas para el ejercicio aeróbico prolongado. El flujo sanguíneo a través del músculo está determinado por la capacidad oxidativa de los dos tipos de fibras: lentas y rápidas, las lentas reciben mayor porcentaje del riego sanguíneo (16, 20).

Desarrollo de tensión muscular En el animal íntegro la integración de la información sensorial y de áreas de asociación centrales genera las respuestas reflejas o acciones voluntarias a través de la producción de tensiones musculares activa y pasiva. La primera es resultado de la contracción muscular según los mecanismos antes expuestos. La segunda es consecuencia de la deformación de elementos estructurales elásticos presentes en los músculos como consecuencia de la contracción o el estiramiento musculares y representa una energía elástica potencial. La fuerza total desarrollada por los músculos es resultado de la suma de la tensión pasiva y la tensión activa. Ambos componentes de tensión muscular participan en toda conducta motora. Para cada acción motora existen músculos agonistas, a favor de la acción; antagonistas, en contra de la acción y sinérgicos, coadyuvantes de la acción, su balance define las propiedades del movimiento. El sistema neuronal sensomotor sincroniza la actividad de las

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cadenas musculares formadas por todos los músculos que intervienen en una acción. Estas actividades motoras se ejecutan a partir de un tono muscular, mantenido por mecanismos reflejos que involucran a los sistemas eferentes gamma y alfa así como a las aferentes sensoriales asociadas a los receptores musculares. El desarrollo de la contracción muscular depende de las características de la estimulación y las condiciones en las que se realiza; ante un estímulo único el músculo responde con una sacudida muscular simple, la estimulación repetitiva, según su frecuencia, produce suma de las sacudidas y puede desarrollarse un tétanos, que es la máxima tensión que un músculo puede producir. Las propiedades de las respuestas dependen del tipo de fibra: las fibras de sacudida lenta alcanzan el tétanos completo con frecuencias menores que las fibras de sacudida rápida (Figura 8).

Figura 8. Registros mediante un transductor de fuerza de la contracción de músculos de rata inducida por la estimulación del nervio motor. A) Sacudida muscular simple de músculo sóleo (lento) provocada por un estímulo. B) Sacudida muscular simple de músculo plantaris (rápido) provocada por un estímulo. C) La estimulación repetitiva del sóleo a frecuencia de 10Hz (10 estímulos por segundo) produce suma de las contracciones causadas por cada estímulo. D) La estimulación del sóleo a 60 Hz provoca una contracción máxima sostenida llamada tétanos, corresponde a la máxima tensión que este músculo puede desarrollar.

La contracción de los músculos es estática cuando el músculo no cambia de longitud debido a que la carga es equivalente a la capacidad de desarrollo de tensión del músculo; en este caso no se desarrolla trabajo y la energía se disipa en forma de calor. Este tipo de contracción se le conoce como isométrica (del griego iso: igual y metro: medida). Aunque el músculo no se acorta, el acortamiento sarcomérico es absorbido por cambios de longitud en las estructuras elásticas del músculo. Es dinámica cuando el músculo cambia de longitud mientras ocurre la contracción y puede ser de dos modalidades: • Concéntrica. Cuando el músculo se acorta desplazando un objeto de cierto peso a través de cierta distancia.

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• Excéntrica. Cuando el músculo se alarga al tiempo que se contrae, debido a que el peso del objeto es superior a la fuerza desarrollada por el músculo o alguna otra fuerza mueve el objeto en sentido contrario a la dirección del acortamiento. En ambos casos (concéntrica y excéntrica) la contracción se reconoce como isotónica (del griego iso: igual y tono: tensión). El componente pasivo en todo momento participa como un modulador que almacena y libera energía potencial elástica en función de la acción contráctil. Por ejemplo, la elongación de un músculo antagonista acumula energía que se utiliza en la recuperación de la postura inicial, saltar repetitivamente es un ejemplo de este desempeño. La suma de la tensión activa y pasiva es la fuerza muscular total.

Acople excitación contracción (acople e-c) Cuando los potenciales de acción invaden las terminales motoras liberan acetilcolina en la hendidura sináptica de las uniones neuromusculares y difunde hasta la membrana celular (sarcolema) para interaccionar con sus receptores; esta interacción abre canales iónicos y generan potenciales de acción propagantes por el sarcolema y los túbulos T. El arribo de la excitación a nivel de las triadas provoca la liberación de calcio desde el RS. El calcio, siguiendo su gradiente electroquímico, interactúa con las proteínas contráctiles y activa los mecanismos de la contracción: la acción de los puentes cruzados y el deslizamiento de los filamentos delgados hacia el centro de la sarcómera. Si la excitación de las terminales motora persiste y las fibras musculares tienen niveles adecuados de ATP continuarán contrayéndose hasta que se acabe la acetilcolina en las terminales motoras o se agote el ATP en las fibras musculares.

Receptores sensoriales en los músculos Los músculos poseen dos tipos de mecanorreceptores con propiedades complementarias de gran importancia para la integración motora: 1) los husos musculares que registra los cambio de longitud y, 2) los órganos tendinosos de Golgi (OTG) que detectan cambios en el desarrollo de tensión. El huso muscular se sitúa en paralelo con las fibras musculares, está formado por 4 a 20 fibras musculares especializadas llamadas intrafusales por estar envueltas dentro de una vaina de tejido conectivo en forma de huso. Los extremos de la vaina se unen al endomisio de las fibras musculares circundantes. Las fibras musculares intrafusales son de dos tipos: las que tienen sus núcleos celulares ubicados en la región central de la fibra (de bolsa nuclear) y las que tienen sus núcleos distribuidos a lo largo de la fibra (de cadena nuclear). Las fibras intrafusales contienen elementos contráctiles en sus extremos y están inervadas por motoneuronas eferentes gamma. En la región central se encuentran las terminales sensitivas aferentes primarias enrolladas en las fibras de bolsa nuclear y

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de cadena nuclear. Las terminales sensitivas aferentes secundarias terminan sólo en las fibras de cadena nuclear. El huso muscular es sensible al cambio de longitud del músculo y mediante el reflejo monosináptico contribuye a mantener la longitud muscular estable y la continuidad en los movimientos. El nivel de activación del sistema motor eferentes gamma determina la sensibilidad y el tono muscular (tensión continua). El número de husos por gramo de tejido muscular es mayor en los músculos responsables de movimientos precisos. Por ejemplo, los músculos extraoculares poseen la mayor densidad conocida de husos musculares porque realizan movimientos de seguimiento suave y fijan la mirada en puntos de enfoque con alta precisión y estabilidad. La característica sobresaliente del receptor es su conexión monosináptica con la motoneurona agonista del músculo correspondiente. Cuando los receptores son estimulados por el estiramiento aumenta la información sensorial (frecuencia de potenciales de acción) y cambia los niveles de disparo de las motoneuronas y por tanto la activación de la unidad motora provocando una contracción, llamado reflejo miotático. En cambio cuando el músculo es acortado se observa una disminución de la información sensorial y se presenta una caída transitoria del tono muscular, en tanto la sensibilidad (ganancia) del huso es reajustada por la activación del sistema eferente gamma para recuperar el tono acorde con la tarea en curso, sea mantener la postura o ejecutar un movimiento. Los impulsos de los husos también ascienden a otros niveles del sistema nervioso central proporcionando información relevante para el control motor, así en el curso de un movimiento, en todo momento, las señales de los husos musculares se integran para que la salida hacia los músculos incluya un adecuado balance entre la activación de las motoneurnas eferentes alfa hacia las fibras extrafusales y las motoneuronas eferentes gamma hacia los extremos de las fibras intrafusales. Los órganos tendinosos de Golgi (OTG) son receptores encapsulados en una vaina de tejido conectivo; las terminales nerviosas se entrelazan con fibras de tendones correspondientes a unas 20 fibras musculares. Se localizan en los límites entre el tejido muscular y el tendón del músculo. Desde la perspectiva mecánica están en serie con las fibras y su función es detectar los cambios de tensión, tanto la generada por las fibras musculares como la impuesta al músculo por fuerzas externas en la dirección del eje de acción del músculo. La sensibilidad es tal que se registran activaciones de un OTG debidos a la contracción de una fibra muscular. En sentido general, podemos decir que su acción es inhibitoria para las motoneuronas de los músculos que se contraen y excitatoria de los músculos antagonistas a dicho músculo. En este sentido se conciben como protectores contra posibles daños causados por una contracción excéntrica (desarrollo de tensión y estiramiento del músculo simultáneamente). Durante el curso de la activación motora la información del OTG se integra para mantener un

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adecuado balance entre las fuerzas desarrolladas por los músculos de la cadena del movimiento.

Integración motora En el animal íntegro, el movimiento se inicia como respuesta a estímulos del entorno o a voliciones del individuo. En cualquiera de los casos el proceso se organiza en el sistema nervioso central (SNC). Las respuestas a los estímulos del entorno incluyen los reflejos, que son las formas más sencillas de integración nerviosa. El más sencillo de los reflejos es el miotático que involucra los husos musculares y los contactos monosinápticos de sus aferentes en las motoneuronas alfa de las astas anteriores de la médula espinal. El resto de los movimientos ejecutados en la vida regular, reflejos o intencionados, son polisinápticos e involucran varios elementos centrales y periféricos del sistema nervioso. Toda la información sensorial es recibida y procesada en el sistema nervioso central; con base en ella y las intenciones de movimiento, se elabora el plan de acción motora en las áreas de integración y su resultado es enviado a las áreas motoras de la corteza cerebral, en ella se inician los axones de la vía corticoespinal (piramidal) que terminan en las motoneuronas de las astas anteriores de la médula espinal. En su descenso envían información colateral a los ganglios de la base, a centros del tallo cerebral y al cerebelo. En estos centros la información es integrada con la información sensorial aferente y retroalimentan a la corteza motora para realizar los ajustes al movimiento y lograr el objetivo motor con precisión. Los ganglios basales y los núcleos subcorticales, también son fuente de eferencias hacia la médula espinal para la ejecución de movimientos, principalmente de carácter reflejo y constituyen la vía extrapiramidal. En conjunto la activación integrada del cerebro, ganglios basales, tallo cerebral y cerebelo activan las motoneuronas medulares para producir movimientos suaves y precisos (Figura 9).

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Figura 9. Diagrama que resume la integración motora. El nivel central superior es responsable de procesar la información sensorial y la surgida en áreas de asociación y motivación para reportar una respuesta integrada a las áreas motoras corticales, las cuáles envían la señal de activación a las motoneuronas de las astas anteriores. La información de salida también es derivada a los ganglios basales, tallo cerebral y cerebelo para realizar los ajustes en tiempo real de la conducta motora en curso (movimientos o postura). La médula espinal es la vía final de la activación motora y es el primer relevo de la información sensorial para la retroalimentación del movimiento. Otras vías sensoriales ingresan a Sistema Nervioso Central a través de los nervios craneales. E: eferente. A: aferente.

La eficacia de la respuesta motora integrada por el SNC depende de la adecuada activación de fibras rápidas y lentas dado que forman a los músculos esqueléticos de los mamíferos. Por ejemplo: el sóleo está formado principalmente de fibras musculares de sacudida lenta (≈85%, Eddinger et al.(3)) mientras que el plantaris está mayormente conformado por fibras musculares de sacudida rápida (≈91%; (11)). Cada motoneurona inerva a cierto número de fibras musculares y, en conjunto, forman una unidad motora. Los experimentos de fisiología revelan que existen unidades motoras con diferentes capacidades para generar tensión: las que tienen baja capacidad de fuerza poseen baja velocidad de acortamiento, pero son resistentes a la fatiga; mientras que aquellas con elevada capacidad de fuerza se acortan rápidamente pero son propensas a la fatiga temprana (Figura 7). Las primeras están formadas por fibras musculares de sacudida lenta y

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las segundas, por fibras musculares de sacudida rápida. Los axones motores lentos sólo forman unidades motoras con fibras musculares lentas y los axones motores rápidos sólo con fibras musculares de sacudida rápida. De lo anterior resulta que los músculos de mamífero están formados por diferentes proporciones de unidades motoras rápidas y lentas. Conforme aumenta la demanda de precisión en los movimientos disminuye el número de fibras musculares por axón motor. Por ejemplo, en los músculos extraoculares suele encontrarse un axón motor inervando una fibra muscular, en cambio en los músculos posturales de la espalda, un axón puede inervar a decenas de fibras musculares. La proporción de unidades motoras de tipo lento y rápido varían entre músculos y entre individuos, dando origen a las propiedades motoras específicas para cada músculo y en conjunto diferenciando las capacidades motoras entre los individuos. Las características específicas de una acción motora dependen del número y tipo de unidades motoras reclutadas así como de las frecuencias de estimulación nerviosa. Estos parámetros se fijan en función de la demanda ambiental, de la motivación y la capacidad del individuo para atender dicha demanda. Esta compleja función es conocida como integración sensomotora. Al parecer en el cerebro se almacenan patrones de movimiento que se activan a voluntad o como respuesta refleja. Estos patrones o modelos motores incluyen una definición precisa del número y tipo de unidades motoras así como sus frecuencias de estimulación, y son modulados por las entradas sensoriales que informan sobre las circunstancias específicas en que dicho patrón motor se ejecuta. Existen muchos ejemplos de modelos motores en nuestra vida cotidiana, algunos son aprendidos y se refinan con el entrenamiento mientras que otros son innatos pero la práctica los refuerza y adapta a las condiciones del individuo. Un ejemplo del primer tipo es el acto de conducir un automóvil. Entre los movimientos innatos, se encuentran los movimientos manipulativos, que se combinan con los de tipo visual (visomotores) y en ciertos casos con los táctiles y kinestésicos. Estos movimientos comprenden principalmente los de prensión y destreza manual los cuales se perfeccionan con la práctica y entrenamientos específicos.

CONCLUSIONES La contracción de los músculos se origina por la activación de las vías motoras en el sistema nervioso central (véase Figura 10) como consecuencia de un reflejo o un movimiento intencionado (1). Esta excitación alcanza las motoneuronas de las astas anteriores de la médula espinal y propaga el potencial de acción a través del axón motor (2) hasta producir la liberación de la acetilcolina (ACh) desde las vesículas localizadas dentro de las terminales del axón motor (3). La ACh difunde a través de la hendidura sináptica y se une a los receptores específicos en el plasmalema de las fibras musculares (4), lo que

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causa un potencial de placa que puede alcanzar el umbral para el inicio de un potencial de acción. El potencial de acción del músculo propaga por el plasmalema y despolariza los túbulos T, mismos que en el caso de los mamíferos se localizan a nivel de los límites entre las bandas A e I del sarcómero (5). La despolarización de los túbulos T ocasiona que el Ca++ se libere desde los sacos laterales (cisternas terminales) del retículo sarcoplásmico (6). Los iones de Ca++ difunden hacia los sarcómeros y se unen al complejo troponina-tropomiosina en los filamentos delgados, permitiendo la unión entre la actina y la miosina (complejo actomiosina), generando las condiciones suficientes para completar la hidrólisis del ATPMg (7). La energía liberada por esta reacción produce el deslizamiento de los filamentos delgados, respecto a los gruesos, por medio de la activación de los puentes cruzados y como consecuencia el músculo se acorta (8). Una nueva molécula de ATP-Mg se une a la cabeza de miosina y permite al puente cruzado disociarse de la actina para quedar en condiciones de establecer una nueva unión (9). La activación de los puentes cruzados continúa mientras la concentración de Ca++ permanezca lo suficientemente elevada para inhibir la acción del sistema troponina-tropomiosina (10). Cuando el músculo ya no es estimulado, la concentración de Ca++ disminuye rápidamente por la recaptura del Ca++ por el RS dependiente de ATP (11). La remoción del Ca++ restablece la acción inhibitoria de la troponina-tropomiosina. En presencia de ATP, la actina y la miosina permanecen disociadas y por ende el músculo se mantiene en un estado relajado (12).

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Figura 10. Diagrama que resume la activación de la contracción del músculo esquelético (ver texto)

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¿PUEDE LA CAFEÍNA SER CONSIDERADA COMO UN FÁRMACO NEUROPROTECTOR DE AMPLIO ESPECTRO? EVIDENCIAS CLÍNICAS Y EXPERIMENTALES. Capítulo 5 José L. Góngora-Alfaro, José L. Bata-García, Fernando J. Álvarez-Cervera y Francisco J. Heredia-López Departamento de Neurociencias, Centro de Investigaciones Regionales “Dr. Hideyo Noguchi” de la Universidad Autónoma de Yucatán.

INTRODUCCIÓN Nos guste o no, todos nosotros envejeceremos y durante ese proceso nuestras facultades físicas y mentales experimentarán un proceso de deterioro progresivo e irreversible. Pero el hecho de que el envejecimiento sea un fenómeno inevitable no implica necesariamente que nuestra calidad de vida tenga que disminuir, ya que las evidencias científicas sugieren que existe la posibilidad de prevenir, o cuando menos retrasar, la disminución de las funciones cerebrales asociadas con la senectud.

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Así, se ha documentado que el deterioro cerebral sigue un curso muy variable entre los seres humanos (21). Mientras algunos conservan intactas la mayor parte de sus funciones mentales a edades avanzadas, otros desarrollan manifestaciones tempranas de neurodegeneración. Estas diferencias han sido atribuidas a una combinación de factores genéticos y ambientales que interaccionan de manera compleja y escasamente comprendida. Entre la amplia gama de trastornos degenerativos cerebrales destacan, por su frecuencia y severidad, las enfermedades de Alzheimer y de Parkinson. La enfermedad de Alzheimer es la causa más frecuente de demencia en personas de edad avanzada, caracterizada por una pérdida la memoria tan severa que el paciente no puede reconocerse a sí mismo ni a sus familiares más cercanos, todo ello asociado a una profunda incapacidad para efectuar las tareas más simples de la vida cotidiana, tales como cuidar su higiene personal (25). Por su parte, los rasgos más notorios de la enfermedad de Parkinson son la rigidez muscular que dificulta la iniciación y ejecución de los movimientos voluntarios, los problemas para mantener el equilibrio y la postura erguida, y la aparición de un temblor en las extremidades (6). Aunque en algunos casos de la enfermedad de Parkinson se desarrolla demencia, la mayor parte de los pacientes conserva intacta su capacidad de razonamiento por lo que les resulta muy frustrante no poder moverse para realizar sus actividades rutinarias, como vestirse, comer o caminar libremente de un lado a otro. Ambas enfermedades tienen un inicio insidioso y progresivo que culmina con la discapacidad del paciente, quien termina por volverse dependiente del apoyo de familiares y amigos, generando un gran estrés social. Aunque se han desarrollado tratamientos farmacológicos para las enfermedades de Alzheimer y de Parkinson, los medicamentos sólo son paliativos pues con el paso del tiempo pierden su eficacia y dan lugar a numerosos efectos adversos que en muchas ocasiones obligan a interrumpir el tratamiento. Diversos estudios han estimado que la enfermedad de Parkinson tiene una prevalencia del 1.8 al 2.6% en las personas mayores de 60 años (6, 19). La incidencia anual oscila entre 110 y 330 casos por cada cien mil individuos mayores de 50 años (19), y a partir de los 80 años la incidencia anual se incrementa de 400 a 500 casos por cada cien mil individuos de esta edad o mayores (5). A su vez, las encuestas epidemiológicas realizadas en algunos países Latinoamericanos en vías de desarrollo han permitido calcular que en la población de adultos con edades de 65 años o más las demencias tienen una prevalencia igual o superior al 5 %, representando la enfermedad de Alzheimer el 60 % de los casos (16). En las naciones que han implementado programas de salud exitosos, el número de personas de edad avanzada se ha incrementado progresivamente. México no ha sido la excepción y se espera que en las próximas décadas se produzca un rápido aumento de la proporción de habitantes de 60 años o más, lo cual inevitablemente traerá aparejado un aumento de las enfermedades asociadas a la senectud. Utilizando las estadísticas de

¿Puede la cafeína ser considerada como un fármaco neuroprotector de amplio espectro? Evidencias clínicas y experimentales.

crecimiento poblacional por grupos de edad reportadas por el INEGI (15) elaboramos una gráfica para proyectar el incremento porcentual de la población de adultos mayores en las próximas décadas. Las predicciones indican que en el año 2020 los adultos con 60 años o más representarán el 12 % de los habitantes de la República Mexicana y en el año 2050 esta cifra se elevará al 23 % (Figura 1 y Tabla I). En este contexto, se ha propuesto que la tasa de incidencia de las enfermedades neurodegenerativas aumentará de 120 a 230 %, siendo la enfermedad de Parkinson y las demencias el mayor componente de este incremento (20).

Figura 1. Proyecciones de crecimiento porcentual de la población con 60 años de edad o más en la República Mexicana. A las cifras de crecimiento porcentual reportadas por el INEGI (15) en el período 1980-2005 (representadas por los símbolos) se les ajustó una función polinomial de segundo orden (y = A + Bx + Cx2) con la cual se obtuvieron las curvas de regresión no lineal ilustradas en la gráfica, mismas que sirvieron para extrapolar las cifras resaltadas en negrillas en la Tabla I. La línea punteada señala que en el año 2050 se predice que el 22.8 % de la población mexicana estará compuesta de personas con 60 años de edad o más. Tabla I Porcentaje de habitantes de 60 años o más y sus proyecciones de crecimiento. % de habitantes ≥ 60 años (INEGI, 2008) Año

Proyecciones de crecimiento*

1980

1990

1995

2000

2005

2010

2020

2030

2040

2050

Hombres

2.5

2.9

3.0

3.3

3.8

4.2

5.4

6.7

8.4

10.4

Mujeres

2.9

3.3

3.5

3.9

4.4

4.9

6.3

8.0

10.0

12.4

Ambos géneros

5.4

6.2

6.5

7.2

8.2

9.1

11.7

14.7

18.4

22.8

*Las cifras en negrilla se extrapolaron de las curvas de regresión no lineal ilustradas en la Figura 1.

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En previsión del incremento esperado de las enfermedades del sistema nervioso, en el año 2001 la Secretaría de Salud de México puso en marcha el Programa de Acción Nacional en Salud Mental (26), el cual incluyó nueve programas específicos encaminados a ampliar la cobertura y mejorar la atención médica de los pacientes con depresión, esquizofrenia, epilepsia, demencias, psicopatología infantil y de la adolescencia, trastorno por déficit de atención, enfermedad de Parkinson, atención psicológica en casos de desastre, así como la implementación de una red de servicios hospitalarios siguiendo el Modelo Hidalgo de Atención a la Salud Mental. Los padecimientos neurológicos antes citados se consideraron prioritarios ya que “…representan la mayor morbilidad e incapacidad personal, laboral y social en la población mexicana” (26). Puesto que las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer producen una discapacidad que disminuye considerablemente la calidad de vida de los ancianos, se espera que en las próximas décadas se eleve el gasto social encaminado a dar atención médica a este sector de la población (26). Lo anterior hace urgente identificar formas de prevenir o retrasar los procesos degenerativos cerebrales, utilizando abordajes similares a los que se están empleando para prevenir las enfermedades metabólicas, promoviendo cambios en los hábitos dietéticos y en los estilos de vida de las personas con mayor riesgo. En este sentido, diversos estudios epidemiológicos han aportado evidencias de que el consumo de dosis moderadas de cafeína está asociado con una disminución en el riesgo de desarrollar las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer. Tomando en consideración que la cafeína es una sustancia de bajo costo, que carece de efectos adversos importantes y es consumida de manera regular por grandes sectores de la población, resulta de interés hacer un análisis de las observaciones clínicas y experimentales con el propósito de determinar si existe justificación suficiente para recomendar su consumo constante con fines preventivos de estos dos procesos neurodegenerativos en las personas de edad avanzada, sector de la población mexicana que en las próximas décadas representará un porcentaje significativo del total. En la presente revisión pretendemos hacer un análisis crítico de la literatura científica, con el objetivo de saber si la cafeína podría ser considerada un fármaco con acción neuroprotectora de amplio espectro.

Evidencias del efecto protector de la cafeína en la enfermedad de Parkinson. En el año 2000, Ross y cols. publicaron los resultados del primer estudio prospectivo, longitudinal y a gran escala encaminado a evaluar si el consumo de cafeína tenía algún impacto sobre el riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson (23). Después de analizar los datos acumulados durante 30 años de seguimiento de 8004 varones norteamericanos de ascendencia japonesa, los autores encontraron que la enfermedad de Parkinson

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tuvo una incidencia progresivamente menor cuanto mayor fue el consumo de cafeína de fuentes dietéticas (café, té o bebidas enriquecidas con cafeína). Los resultados fueron esencialmente los mismos cuando los datos se ajustaron por edad, hipertensión arterial, consumo de alcohol o tabaco, ingreso calórico o la niacina presente en el café, concluyéndose que la reducción en la incidencia de la enfermedad de Parkinson sólo podía ser atribuida a la ingestión de cafeína. Las observaciones anteriores fueron confirmadas y ampliadas al año siguiente por Ascherio y cols. (2), quienes analizaron los datos de seguimiento de dos cohortes, una de 47 mil 351 hombres durante 10 años y otra de 88 mil 565 mujeres durante 16 años, ninguno de los cuales padecía la enfermedad de Parkinson al momento de ser reclutados. Sus resultados mostraron que en los sujetos de género masculino el riesgo de desarrollar este padecimiento fue progresivamente menor cuanto mayor fue su consumo de cafeína. En el caso de las mujeres esta asociación siguió una curva en forma de U, en donde el riesgo más bajo se produjo en el conjunto de consumo moderado, definido como de una a tres tazas de café al día o el tercer quintil de ingestión de cafeína de todas las fuentes dietéticas. Un hallazgo importante de estos autores fue que no sólo el consumo de café, sino también el de otras fuentes de cafeína, como el té, el chocolate y las bebidas suplementadas con esta metilxantina, se asoció con una menor incidencia de enfermedad de Parkinson en varones, en tanto que el café descafeinado careció de efecto. Esta última observación reforzó la hipótesis de Ross y cols. (23) de que el ingrediente activo cuyo consumo disminuye el riesgo de desarrollar esta enfermedad neurodegenerativa es la cafeína y no otros componentes del café. Partiendo de la observación de que la incidencia de enfermedad de Parkinson en mujeres tenía una asociación en forma de U en relación con la cantidad de cafeína consumida, Ascherio y cols. (2) sugirieron que esto podría deberse a que la cafeína ejerce distintas acciones en hombres y mujeres, atribuibles quizás a diferencias hormonales. Por tal motivo, estos mismos autores ampliaron su estudio en la misma cohorte de mujeres con el fin de determinar si la menopausia y el tratamiento de reemplazo hormonal ejercían alguna influencia sobre la asociación epidemiológica entre el consumo de cafeína y el riesgo de desarrollar enfermedad de Parkinson (3). Su muestra consistió en 77 mil 713 mujeres a las que se había dado seguimiento durante 18 años y que al momento de ser reclutadas ninguna padecía parkinsonismo y que además habían llegado a la menopausia o la desarrollaron en fecha posterior. Los resultados mostraron que en las mujeres con menopausia sin tratamiento hormonal, el consumo de dosis crecientes de cafeína se asoció con una clara tendencia a disminuir el riesgo de padecer la enfermedad de Parkinson, semejante a la que se había observado en varones (2, 23). Por otro lado, en las mujeres menopáusicas tratadas con hormonas y que consumieron dosis bajas de cafeína (aproximadamente media taza de café al día) se observó una menor incidencia de la enfermedad de Parkinson, mientras que en las mujeres con terapia hormonal con una

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ingesta de 6 ó más tazas de café al día se observó el efecto opuesto, incrementándose hasta cuatro veces el riesgo de desarrollar esta enfermedad. Los autores concluyeron que las mujeres menopáusicas tratadas con hormonas no deberían consumir cafeína en grandes cantidades (3). Con el fin de ampliar las observaciones anteriores y determinar si el consumo de cafeína está asociado con un menor riesgo de padecer la enfermedad de Parkinson, Ascherio y cols. (4) analizaron los datos de otras dos cohortes, una de 301 mil 164 hombres y otra de 238 mil 058 mujeres, todos ellos de 30 años o mayores y reclutados en el Estudio II de Prevención del Cáncer en EUA. Básicamente, los autores confirmaron los hallazgos previos, encontrando que el consumo de café se asoció con una menor mortalidad atribuible a la enfermedad de Parkinson, tanto en los varones como en las mujeres con menopausia que nunca fueron tratadas con hormonas. En contraste, en las mujeres menopáusicas que alguna vez consumieron estrógenos, la ingestión de café no se asoció con una reducción de la mortalidad en las pacientes que padecían la enfermedad de Parkinson. Por su parte, Hu y cols. (14) reportaron los resultados de un estudio prospectivo longitudinal de 14 mil 293 hombres y 15 mil 042 mujeres finlandeses a quienes se les dio seguimiento durante 13 años en promedio. Después de analizar los datos, los autores encontraron que el consumo de una a cuatro tazas de café al día redujo a la mitad el riesgo de padecer la enfermedad de Parkinson, tanto en hombres como en mujeres. Cuando se analizaron los datos combinados de ambos géneros, el consumo de cafeína tuvo un mayor impacto en el grupo de edad de 25 a 49 años, con 70 % menos riesgo en comparación con los individuos de 50 a 74 años, quienes sólo mostraron una disminución del 28 %. En fecha más reciente, Sääksjärvi y cols. (24) dieron a conocer los resultados de un estudio prospectivo realizado en 6 mil 710 individuos de ambos géneros, de los que ninguno padecía la enfermedad de Parkinson al momento de ser reclutados y que tenían edades entre los 50 y 79 años. Al concluir 22 años de seguimiento se identificaron un total de 101 casos de enfermedad de Parkinson. Después de hacer ajustes por edad, género, estado civil, tabaquismo, índice de masa corporal, hipertensión arterial y colesterol plasmático, los autores encontraron que los sujetos que consumieron 10 ó más tazas de café por día tuvieron sólo el 26% de riesgo de padecer la enfermedad de Parkinson en comparación con aquellos individuos que no tomaban café. Las investigaciones anteriormente descritas fueron diseñadas y ejecutadas de manera apropiada, por lo que sus resultados permiten apoyar con razonable certeza la hipótesis de que el consumo prolongado de cantidades moderadas de cafeína reduce la probabilidad de desarrollar la enfermedad de Parkinson. Sin embargo, aún en los estudios epidemiológicos mejor diseñados existen numerosos factores de confusión que no pueden ser

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controlados rigurosamente, lo cual en parte explica algunas de las discrepancias entre los resultados de los diversos reportes. Por otro lado, por la propia naturaleza de su diseño, los estudios prospectivos longitudinales no permiten discriminar si la baja incidencia de la enfermedad de Parkinson en los consumidores de cafeína realmente se produce como consecuencia de algún efecto neuroprotector de esta sustancia, o simplemente las personas que tienen predisposición a desarrollar esta enfermedad la consumen menos porque son intolerantes a sus efectos (23) o, en su defecto, son menos propensas a buscar las sensaciones placenteras y gratificantes que usualmente produce la cafeína entre las personas que la ingieren de manera habitual (10). Fue así que, a raíz de la publicación de los estudios prospectivos en poblaciones humanas, diversos grupos de investigadores se dieron a la tarea de evaluar si la cafeína ejercía algún efecto neuroprotector en modelos animales de parkinsonismo, todo ello bajo condiciones de laboratorio estrictamente controladas. En la mayor parte de los estudios el objetivo principal fue determinar si la cafeína, administrada en dosis única o diariamente durante una semana, era capaz de prevenir la pérdida de dopamina en el cerebro de roedores expuestos a neurotoxinas que destruyen de manera selectiva a las neuronas dopaminégicas que inervan a los núcleos cerebrales involucrados en el control de los movimientos. Chen y cols. (7) fueron los primeros en demostrar que la lesión de las neuronas dopaminérgicas causada por la 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP) en el cerebro de ratones podía ser atenuada si antes de aplicar cada dosis de la neurotoxina se les administraba cafeína por vía intraperitoneal, siendo el efecto protector directamente proporcional a la dosis administrada. Con el fin de profundizar en el posible mecanismo de acción de la cafeína, estos investigadores administraron MPTP a ratones carentes de receptores de adenosina del tipo A2A, observando que esta cepa de ratones genéticamente modificados fue más resistente al daño de las neuronas dopaminérgicas provocado por la neurotoxina. Finalmente, demostraron que la lesión causada por MPTP en ratones con carga genética normal pudo ser atenuada si previamente eran tratados con fármacos antagonistas de los receptores de adenosina de tipo A2A, pero no con sustancias antagonistas de los receptores A1. Basados en sus observaciones, ellos concluyeron que el bloqueo de los receptores A2A por la cafeína podría ser uno de los mecanismos por los cuales el consumo de esta sustancia se asocia con un menor riesgo de desarrollar enfermedad de Parkinson en poblaciones humanas. La inyección intracerebral de la neurotoxina 6-hidroxidopamina (6-OHDA) en roedores es otro modelo experimental ampliamente utilizado para imitar la pérdida de las neuronas dopaminérgicas que se produce en la enfermedad de Parkinson. Utilizando este modelo, Vasconcelos-Aguiar y cols. (27) reportaron que la lesión causada por la 6-OHDA pudo reducirse mediante la administración diaria de cafeína durante los 14 días posteriores a la inyección de la neurotoxina.

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Partiendo de la observación epidemiológica de que el consumo de cafeína se asociaba con una menor incidencia de enfermedad de Parkinson en los hombres pero no en las mujeres que recibían tratamiento hormonal de reemplazo con estrógenos durante la menopausia, Xu y cols. (28) utilizaron el modelo de lesión dopaminérgica inducido con MPTP en ratones para poner a prueba la hipótesis de que el tratamiento con hormonas sexuales femeninas era el factor que reducía el efecto neuroprotector de la cafeína en las mujeres. En concordancia con los hallazgos en humanos, ellos observaron que el tratamiento con cafeína inhibió la pérdida de dopamina causada por la MPTP en los ratones machos, pero no en las hembras. Después, para determinar si la resistencia de las hembras al efecto neuroprotector de la cafeína se debía a la influencia de los estrógenos, a un grupo de animales de este género les removieron quirúrgicamente los ovarios, encontrando que bajo estas circunstancias ahora la cafeína sí manifestaba su acción inhibidora del daño dopaminérgico causado por la neurotoxina. Finalmente, demostraron que la administración de estrógenos a los ratones machos o a las hembras sin ovarios anulaba la protección conferida por la cafeína en contra del daño causado por la MPTP. Los autores concluyeron que, puesto que sus resultados concordaban con las observaciones epidemiológicas, existían suficientes bases para sugerir que la acción de los estrógenos contrarresta el efecto benéfico de la cafeína para reducir el riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson. Sin embargo, aunque los estudios anteriormente citados sugerían fuertemente que la cafeína era capaz de aumentar la resistencia de las neuronas dopaminérgicas al daño causado por neurotoxinas selectivas, estos modelos experimentales tenían importantes limitaciones. Por un lado, los efectos neuroprotectores que la cafeína produjo en roedores se pusieron de manifiesto utilizando dosis relativamente altas, administradas una sola vez o en repetidas ocasiones durante períodos máximos de dos semanas. Lo anterior contrasta con las observaciones en seres humanos, en quienes la disminución de la incidencia de la enfermedad de Parkinson se observó en los grupos de individuos que habían consumido dosis bajas o moderadas de cafeína en el transcurso de décadas. Por otra parte, aunque existen algunas evidencias de que la exposición crónica a plaguicidas podría asociarse con un mayor riesgo de desarrollar este trastorno (13), es altamente improbable que la ocurrencia de la enfermedad de Parkinson en las poblaciones humanas se produzca por la exposición a neurotoxinas que destruyan selectivamente a las neuronas dopaminérgicas, como es el caso de la MPTP y la 6-OHDA. Lo anterior nos impulsó a utilizar un abordaje experimental que nos permitiese evaluar con un menor sesgo el posible efecto neuroprotector de la cafeína, administrándola a grupos de animales sanos, en dosis bajas y por períodos largos (11), tratando de simular lo ocurrido en las poblaciones humanas de los estudios epidemiológicos anteriormente citados. Uno de nuestros objetivos fue evaluar si la ingestión prolongada de cafeína tendría algún impacto sobre la transmisión dopaminérgica en ratas

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de laboratorio. Puesto que los estudios en humanos habían mostrado que el consumo crónico de cafeína tenía una mayor influencia en hombres que en mujeres para reducir la incidencia de la enfermedad de Parkinson, elegimos realizar nuestros experimentos exclusivamente en animales del género masculino. Fue así que seleccionamos ratas machos de la misma camada, las cuales fueron asignadas aleatoriamente al grupo de cafeína o al grupo testigo, cuyos animales sólo consumieron agua. La cafeína fue administrada en el agua de beber y su concentración fue ajustada periódicamente, tomando en consideración el incremento de peso de las ratas y su consumo promedio de agua durante la semana previa, con el fin de garantizar que cada animal consumiese diariamente una dosis de cafeína de 5 miligramos por kilogramo de peso. Una persona recibiría una dosis equivalente de cafeína al tomar de tres a cinco tazas de café regular, lo cual cae dentro de los valores normales de consumo diario en poblaciones humanas. La administración de cafeína comenzó cuando las ratas tenían de tres a cuatro meses de edad (adultos jóvenes) y continuó por un período de 6 meses, equivalente a una quinta parte de la duración de vida de esta especie de animales. Terminado este plazo, se suspendió la administración de cafeína por un mínimo de dos semanas antes de ejecutar las pruebas. Este período fue lo suficientemente largo como para garantizar que, durante la ejecución de las pruebas conductuales, la mayor parte de la cafeína previamente consumida hubiera sido metabolizada y eliminada del cuerpo de los animales. De esta forma, cualquier efecto que se observase podría ser atribuido a una acción “neuroprotectora” y no a la presencia de la cafeína en el organismo de las ratas. En contraste con los seres humanos, en quienes se ha observado una menor incidencia de la enfermedad de Parkinson durante el consumo crónico de cafeína, en las ratas no es posible evaluar esta asociación puesto que ellas no desarrollan esta enfermedad de manera espontánea. Por consiguiente, la única forma de averiguar si el tratamiento crónico con cafeína induce algún tipo de neuroprotección en las ratas es mediante la administración de fármacos capaces de reducir la transmisión dopaminérgica, lo cual es una forma de simular lo que ocurre en la enfermedad de Parkinson. De esta forma, una vez que transcurrieron de 18 a 28 días de abstinencia a la cafeína, las ratas fueron evaluadas en la prueba de catalepsia en la barra fija. Para tal efecto, los animales recibieron una dosis de haloperidol, un antagonista de los receptores de dopamina que induce un síndrome de inmovilidad denominado catalepsia. Después, a intervalos de 15 minutos, el experimentador hizo que la rata agarrase con sus patas anteriores una barra de metal colocada a una altura de 9 centímetros del piso y con un cronómetro midió el tiempo que el animal se tardó en soltar la barra. Usualmente, el haloperidol aumenta el tiempo de inmovilidad sobre la barra, es decir, produce catalepsia. Los tratamientos que mejoran la transmisión dopaminérgica suelen inhibir la catalepsia. Nosotros encontramos que las ratas tratadas con cafeína durante seis meses tuvieron un 30 % menos de catalepsia que los animales que consumieron solamente

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agua (11). Hasta el momento, esta es la evidencia experimental más directa de que el consumo de dosis bajas de cafeína por períodos prolongados hace que los individuos sean más resistentes a los factores que interfieren con la transmisión dopaminérgica, lo cual apoya las evidencias epidemiológicas de que la ingestión crónica de esta metilxantina reduce la incidencia de la enfermedad de Parkinson.

Evidencias del efecto protector de la cafeína en la enfermedad de Alzheimer. El interés por estudiar si el consumo crónico de cafeína va asociado con un menor riesgo de padecer la enfermedad de Alzheimer es reciente, por lo que son escasos los estudios epidemiológicos reportados hasta la fecha. Uno de ellos fue publicado por Maia y Mendonça (18) quienes compararon retrospectivamente el consumo de cafeína en un grupo de 54 pacientes con enfermedad de Alzheimer con el de sus respectivos testigos, pareados por edad y género. Los resultados mostraron que, durante los 20 años previos a su diagnóstico, los individuos con demencia de Alzheimer consumieron un promedio diario de 74 miligramos de cafeína al día, mientras que en los testigos el consumo fue significativamente mayor, con una media de 199 miligramos diarios. El análisis de regresión logística confirmó que sólo la ingestión de cafeína se asoció de manera inversa con el riesgo de padecer la enfermedad de Alzheimer, siendo nula la asociación con patologías que podrían ser motivo de un menor consumo de cafeína, como es el caso de la hipertensión arterial, las enfermedades cardíacas y los trastornos gástricos, o bien, con diversos factores que podrían predisponer al desarrollo de la enfermedad de Alzheimer, tales como la diabetes, el infarto cerebral, el traumatismo craneano, una historia familiar de demencia, un bajo nivel de educación, el tabaquismo y el consumo de alcohol. Tampoco se observó asociación con el nivel de consumo de vitamina E o de analgésicos antiinflamatorios no esteroides, para los cuales se han reportado evidencias de que podrían reducir el riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer. Los autores concluyeron que, de ser confirmados estos hallazgos, la cafeína podría tener un gran impacto en la prevención de la enfermedad de Alzheimer. Por su parte, Lindsay y cols. (17) publicaron los resultados de otro estudio de casos y testigos, partiendo del análisis de la información recolectada durante cinco años de seguimiento de 4 mil 615 individuos de ambos sexos, todos ellos con edades de 65 años o más al momento de ser reclutados para el Estudio Canadiense de Salud y Envejecimiento. De esta muestra se identificaron 194 casos con diagnóstico de enfermedad de Alzheimer, los cuales fueron comparados con 3 mil 894 individuos sin demencia ni otras alteraciones cognoscitivas, quienes sirvieron como grupo testigo. Entre las variables estudiadas, el consumo diario de café se asoció de manera significativa con un menor riesgo de padecer la enfermedad de Alzheimer. Los investigadores indicaron que este resultado ameritaba ser confirmado en estudios prospectivos.

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Otros estudios han intentado establecer si existe alguna asociación entre el consumo de cafeína y la disminución de las funciones cognoscitivas o el riesgo de desarrollar demencia, pero sin hacer énfasis en la enfermedad de Alzheimer. Así, Hameleers y cols. (12) estudiaron una cohorte de mil 875 adultos sanos, estratificados por edad (21 a 81 años), género, nivel de educación y consumo de tabaco y alcohol, con el fin de determinar si el consumo habitual de café y té ejercía alguna influencia sobre sus funciones cognoscitivas. El análisis de regresión múltiple mostró que el consumo regular de cafeína estaba asociado de manera significativa con una mayor capacidad en la memoria a largo plazo y con una mayor velocidad en los movimientos de la mano desencadenados por un estímulo visual. Sin embargo, no se encontró que el consumo de cafeína influyera sobre la memoria a corto plazo, el procesamiento de información, la capacidad de planeación o la atención de los individuos. Puesto que no hubo diferencias en la sensibilidad de la respuesta a la cafeína entre los diferentes grupos de edad, los autores sugirieron que su consumo no contrarrestaba la disminución cognoscitiva asociada con el envejecimiento. En fecha más reciente, Ritchie y cols. (22) dieron seguimiento durante cuatro años a 4 mil 197 mujeres y 2 mil 820 hombres, con edades de 65 años o más, para evaluar si el consumo de cafeína modificaba la disminución cognoscitiva y la incidencia de demencia asociadas con la edad avanzada. Aplicando un modelo de regresión logística multivariada encontraron que las mujeres cuyo consumo diario de café fue de tres tazas o más durante el período de seguimiento tuvieron mejor desempeño en las pruebas de memoria y fluidez verbal y una tendencia a mejorar en las pruebas de memoria visual-espacial en comparación con las mujeres que consumieron sólo una taza de café o menos al día. Este efecto protector de la cafeína fue más intenso cuanto mayor fue la edad de las mujeres entre 65 y 74 años. En contraste, la ingesta de cafeína no modificó la disminución cognoscitiva en los varones. Un hallazgo importante fue que el consumo de cafeína no modificó el riesgo de desarrollar demencia en ambos géneros. Al año siguiente de haber sido publicados los estudios de casos y testigos sobre la asociación entre el consumo de cafeína y una menor incidencia de la demencia de Alzheimer, salió a la luz el primer reporte experimental encaminado a evaluar si la cafeína tenía la capacidad de proteger del daño neurotóxico causado por el amiloide- , proteína que constituye el principal componente de las características placas neuríticas que se observan en los cerebros de pacientes con enfermedad de Alzheimer. Para tal efecto Dall’Igna y cols. (8) emplearon un modelo in vitro, en el que neuronas del cerebelo de la rata fueron mantenidas durante cinco días en un medio de cultivo y posteriormente expuestas durante 48 horas al fragmento 25-35 de la proteína amiloide- . El hallazgo más notorio fue que la cafeína, aplicada a concentraciones similares a las que se alcanzan en el plasma humano durante el consumo de café, inhibió de manera significativa la muerte neuronal inducida con la proteína amiloide- .

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Ante la falta de estudios prospectivos que apoyasen el posible efecto de la cafeína para reducir el riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer, Arendash y cols. (1) realizaron un estudio utilizando una cepa de ratones transgénicos a los que se ha insertado un gen humano mutante aislado de pacientes suecos con una forma hereditaria de la enfermedad de Alzheimer. Dicho gen codifica la síntesis de un precursor de la proteína amiloide- humana y los animales transgénicos portadores de este gen mutante desarrollan deficiencias cognoscitivas a los ocho meses de edad, lo cual coincide con la aparición de depósitos de la proteína amiloide- en sus cerebros. Después de distribuir a animales transgénicos de ambos géneros en dos lotes, uno recibió cafeína en el agua de beber mientras que al otro se le dio únicamente agua, sirviendo de grupo testigo. Los tratamientos comenzaron cuando los ratones tenían cuatro meses de edad y continuaron durante cinco meses y medio, incluyendo el período de las pruebas experimentales. Basados en el peso de los animales y su consumo promedio de líquido por día, los autores calcularon que cada ratón recibió una dosis diaria de 500 miligramos de cafeína al día, equiparable a la que ingieren los seres humanos en cinco tazas de café. El hallazgo más importante fue que los ratones transgénicos que consumieron cafeína de manera crónica durante cinco meses tuvieron un mejor desempeño en las pruebas de aprendizaje espacial, memoria de referencia, memoria de trabajo e identificación y reconocimiento de objetos. La mejoría en las pruebas conductuales de los animales transgénicos que consumieron cafeína se acompañó de una disminución en los niveles de la proteína amiloide- en el hipocampo, una región del cerebro que juega un papel importante en el aprendizaje y la memoria. Asimismo, los ratones tratados con cafeína tuvieron niveles más bajos de presenilina-1 y de secretasa- , dos proteínas que participan en la producción de la proteína amiloide- . Basados en estos datos, los autores propusieron que el consumo prolongado de cafeína podría ser una estrategia viable para disminuir el riesgo de padecer la enfermedad de Alzheimer u otras enfermedades neurodegenerativas. Por su parte, Dall’Igna y cols.(9) demostraron que la amnesia inducida en ratones mediante la inyección intracerebral del fragmento 25-35 de la proteína amiloide- podía inhibirse si treinta minutos antes de aplicarla los animales recibían 80 miligramos de cafeína por cada kilogramo de peso. La dosis de cafeína capaz de prevenir la amnesia pudo reducirse a 30 mg/kg si previamente los animales ingerían cafeína suministrada en el agua de beber durante doce días. La principal limitación de este estudio fue que los autores emplearon dosis altas de cafeína para observar los efectos protectores. Tomados en conjunto, los resultados obtenidos en los modelos experimentales anteriormente descritos daban fuerte apoyo a las observaciones epidemiológicas de que el consumo crónico de cafeína se asocia con una menor incidencia de la enfermedad de Alzheimer en poblaciones humanas y que su capacidad para reducir la síntesis de la proteína amiloide- podría ser uno de los mecanismos para prevenir los déficits

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cognoscitivos asociados con la edad. Sin embargo, es importante señalar que en todos los estudios citados los efectos neuroprotectores se observaron mientras las células o los animales estaban siendo expuestos a la cafeína, pero no aclaraban si tales efectos persistían semanas después de haber suspendido su administración. Con el fin de dar respuesta a esta incógnita, el segundo objetivo del estudio que realizamos en nuestro laboratorio fue evaluar si el tratamiento prolongado con dosis bajas de cafeína tendría algún impacto sobre la función mental y la actividad motora en ratas albinas de la cepa Wistar (11). Para tal efecto, la conducta motora espontánea de las ratas fue evaluada en la prueba de campo abierto los días 15 y 16 después de haber concluido la administración crónica de cafeína por seis meses. La prueba de campo abierto se realizó colocando a los animales durante 30 minutos en una caja equipada con detectores infrarrojos, la cual permite registrar la posición y trayectoria de cada sujeto a lo largo del tiempo. Los resultados mostraron que las ratas tratadas crónicamente con cafeína caminaron distancias similares a las del grupo que sólo consumió agua. En contraste, los animales del grupo de cafeína pasaron más tiempo explorando las paredes de la caja en las sesiones de ambos días. Para realizar esta conducta exploratoria las ratas levantan el cuerpo parándose sobre sus patas traseras, lo cual puede ser motivado por la curiosidad o el miedo que experimentan los animales al ser colocados en un ambiente distinto al de su jaula hogar. Dado que la cafeína puede producir ansiedad en los seres humanos, para nosotros era importante descartar la posibilidad de que la mayor exploración desplegada por las ratas tratadas crónicamente con cafeína fuese de naturaleza ansiosa. Afortunadamente, la prueba motora en campo abierto también permite medir los niveles de ansiedad en roedores. Así, cuando las ratas son colocadas en un espacio delimitado, ellas caminan entre el 50 y 60 % de la distancia pegadas a las paredes de la caja. A este comportamiento se le denomina tigmotaxis. Experimentos previos han mostrado que los fármacos capaces de inducir ansiedad incrementan la tigmotaxis, mientras que los fármacos ansiolíticos producen el efecto opuesto. Usando esta prueba, no encontramos diferencias entre los valores de tigmotaxis de ambos grupos experimentales, indicando que la mayor parte de la conducta exploratoria desplegada por las ratas que consumieron cafeína durante seis meses no se debió a ansiedad, sino que fue motivada por un aumento de la curiosidad por su medio ambiente, aspecto en el que participan procesos mentales de orden superior. El aumento de la exploración que observamos en las ratas dos semanas después de haber concluido los seis meses de administración de cafeína pudo deberse a cambios tróficos o funcionales en el hipocampo de estos animales ya que hay evidencias de que esta estructura cerebral juega un papel importante en este tipo particular de conducta. Esta idea es apoyada por los estudios realizados con los ratones transgénicos que expresan la forma mutante de la proteína amiloide-β humana, en quienes el tratamiento crónico con cafeína reduce los depósitos de dicha proteína en el hipocampo y mejora su memoria (1). Por consiguiente, nuestras observaciones en ratas refuerzan las evidencias de que el

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consumo de cafeína por períodos largos disminuye el riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer en humanos.

¿Puede la cafeína ser considerada un fármaco neuroprotector de amplio espectro? El envejecimiento cerebral es un fenómeno complejo en el que intervienen un gran número de variables biológicas. El panorama se complica si se consideran las interacciones que se producen entre la carga genética propia de cada individuo y los factores ambientales cambiantes a los que se exponen en el transcurso de sus vidas. Por consiguiente, es improbable que exista alguna sustancia cuyo consumo regular sea capaz de inhibir, de manera invariable, la degeneración de los grupos neuronales específicos que dan origen a las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer. Aún así, los estudios epidemiológicos han mostrado de manera consistente que existen correlaciones significativas entre ciertos hábitos dietéticos de los seres humanos y un menor riesgo de padecer estas dos enfermedades neurodegenerativas. Estas asociaciones han sido verificadas en repetidas ocasiones, a pesar de haber sido realizadas en poblaciones de diversos orígenes étnicos, geográficos y culturales. Más aún, en todos estos estudios se hicieron esfuerzos por incluir en el análisis ajustes para compensar la influencia de ciertos factores que podrían llevar a resultados erróneos, tales como el género de los individuos, sus edades, su consumo de alcohol, de tabaco y de otros medicamentos, su ingesta calórica y diversas patologías que podrían modificar el riesgo de padecer un proceso degenerativo cerebral. Quizás lo único que podría restarles credibilidad es el hecho de que están basados en información obtenida mediante entrevistas y la veracidad de los datos colectados depende en su totalidad de la capacidad de recuerdo de los sujetos bajo estudio. Poniéndose en un plano muy estricto, uno podría desestimar los resultados de los estudios epidemiológicos argumentando que, aunque significativas, las asociaciones encontradas pudieron deberse al azar puesto que, aun con el mejor diseño, es imposible controlar las innumerables variables a las que están expuestas las poblaciones humanas. Afortunadamente, las hipótesis derivadas de los hallazgos epidemiológicos pueden ponerse a prueba en el laboratorio, en donde los investigadores pueden ejercer un control preciso sobre las variables que podrían enmascarar los efectos de los tratamientos bajo estudio. Para tal efecto, se utilizan modelos animales que simulen las patologías humanas. Sin embargo, por mucho que se asemejen, los resultados obtenidos con el mejor modelo animal sólo representan un paralelismo de la situación que se pretende imitar. En el caso particular del posible efecto neuroprotector de la cafeína, su principal valor radica en que permiten apoyar o refutar las hipótesis planteadas a partir de las observaciones epidemiológicas.

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¿Puede la cafeína ser considerada como un fármaco neuroprotector de amplio espectro? Evidencias clínicas y experimentales.

Hechas las consideraciones anteriores, podemos resumir las evidencias que nos permitirán determinar si la cafeína podría ser considerada como un fármaco neuroprotector de amplio espectro:

Enfermedad de Parkinson y sus modelos experimentales: 1.- Los estudios prospectivos longitudinales en poblaciones humanas muestran que a mayor consumo de cafeína menor riesgo de padecer la enfermedad de Parkinson (2, 3, 4, 14, 23, 24) . 2.- El impacto de la cafeína para reducir el riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson sigue una relación lineal en los hombres, en quienes la incidencia disminuye progresivamente al aumentar el consumo de cafeína, mientras que en las mujeres la asociación es en forma de U, observándose el mayor efecto con el consumo moderado (2). 3.- En las mujeres con menopausia que no reciben hormonas la cafeína reduce la incidencia de la enfermedad de Parkinson, mientras que en aquellas tratadas con estrógenos el consumo excesivo de cafeína incrementa el riesgo de desarrollar esta enfermedad (3, 4). 4.- En los modelos experimentales de la enfermedad de Parkinson, la administración de dosis únicas o repetidas de cafeína previene la destrucción selectiva de las neuronas dopaminérgicas del cerebro de los roedores expuestos a las neurotoxinas MPTP y 6-OHDA (7, 27). 5.- El tratamiento con estrógenos contrarresta el efecto de la cafeína para prevenir la lesión de las neuronas dopaminérgicas inducido con MPTP (28). 6.- En los roedores tratados durante seis meses con dosis moderadas de cafeína, seguida de un período de abstinencia de dos semanas, es menos intensa la catalepsia inducida con fármacos que interfieren con la transmisión dopaminérgica (11).

Enfermedad de Alzheimer y sus modelos experimentales: 1.- Los estudios de casos y testigos, aunque realizados con muestras más reducidas de poblaciones humanas, coinciden en que el consumo de cafeína se asocia con un menor riesgo de padecer la enfermedad de Alzheimer (17, 18). 2.- Otros estudios han mostrado que el consumo regular de cafeína se asocia con una mayor capacidad de memoria a largo plazo y con mayor velocidad de respuesta motora manual en ambos géneros (12) y también con un mejor desempeño en las pruebas de memoria y fluidez verbal en las mujeres (22). Sin embargo, en estos

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reportes no fue posible demostrar que la cafeína tuviese algún efecto para contrarrestar la disminución cognoscitiva asociada con el envejecimiento o el riesgo de desarrollar demencia en hombres o mujeres. 3.- En los modelos experimentales de neurotoxicidad inducida con el fragmento 2535 de la proteína amiloide- , que forma cúmulos en los cerebros de pacientes con enfermedad de Alzheimer, la cafeína inhibe la muerte de neuronas del cerebro de rata mantenidas en cultivo (8) y reduce la amnesia en ratones que recibieron inyecciones intracerebrales de este péptido tóxico (9). 4.- En los ratones transgénicos portadores de un gen humano mutante aislado de pacientes con una forma hereditaria de la enfermedad de Alzheimer, el tratamiento con cafeína durante cinco meses previno el deterioro de la memoria que presentan estos animales a los ocho meses de edad y redujo los depósitos de la proteína amiloide- en sus cerebros (1). 5.- Las ratas tratadas durante seis meses con dosis moderadas de cafeína, seguido de un período de abstinencia de dos semanas, despliegan una conducta exploratoria más intensa que los animales que consumieron sólo agua, sin cambios significativos en la locomoción y en los índices de ansiedad (11).

CONCLUSIONES Del análisis anterior se desprende que existe buena concordancia entre los hallazgos epidemiológicos y los resultados experimentales en los modelos animales, lo cual refuerza la hipótesis de que el consumo de cafeína se asocia con una menor incidencia de las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer. Puesto que la cafeína ejerce su efecto protector sobre dos enfermedades neurodegenerativas que tienen su asiento en distintas regiones cerebrales y que se manifiestan por síntomas diferentes, creemos que existen bases científicas suficientes para poder considerar a la cafeína como un fármaco neuroprotector de amplio espectro. Como tratamiento preventivo de las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer la cafeína posee numerosas ventajas. En primer lugar es una sustancia barata pues no está protegida por derechos de patente, lo cual la pone al alcance de los sectores de la población mexicana con menores ingresos. Adicionalmente, la cafeína es un compuesto liposoluble que atraviesa con facilidad las barreras membranosas del organismo, lo cual permite que una dosis se absorba rápido en el tubo digestivo y llegue con facilidad al sistema nervioso central. Por otra parte, no necesita evaluación toxicológica ya que gran parte de la población la ha consumido durante muchas décadas sin efectos adversos serios y las contraindicaciones para su uso son pocas. Aún así, consideramos que deben continuarse las

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investigaciones para determinar el mecanismo exacto por el cual la cafeína ejerce sus acciones neuroprotectoras, ya que esto podría conducir al desarrollo de fármacos con mayor potencia y especificidad. Finalmente, hace falta realizar más estudios prospectivos en grandes grupos de población que permitan identificar las dosis óptimas para producir el máximo efecto protector con el mínimo de efectos secundarios adversos.

AGRADECIMIENTOS Los resultados experimentales presentados en esta revisión por los autores fueron fruto de un proyecto financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México a través del convenio SEP-CONACYT 2004-C01-47763 otorgado a JLGA. Los autores expresan su agradecimiento al Dr. Jorge Ortigoza Ferado por su invaluable ayuda en la revisión y correcciones de estilo efectuadas al texto.

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EL ORIGEN DE LA ENFERMEDAD DEPRESIVA, UNA BÚSQUEDA QUE NECESITA MUCHO ÁNIMO. Capítulo 6 Andrea Catalina Enríquez Castillo1, Jaime Aurelio Barral Caballero2, Juan Carlos Pineda1 1 Depto. Neurociencias, Centro de Investigaciones Regionales “Dr. Hideyo Noguchi” Universidad Autónoma de Yucatán. Mérida, Yucatán. México 2 Proyecto Neurociencias (UIICSE) FES Iztacala UNAM. Tlalnepantla, Estado de México. México

INTRODUCCIÓN Con seguridad se ha escuchado que la depresión es una enfermedad muy común en estos días. También podrá pensarse que eso podría ser una exageración de la gente mayor, posiblemente deprimida, porque todos, incluso los adultos a veces se sienten “deprimidos” o, por el contrario, en ocasiones “hiper-activos” (en idioma X “high”), y eso no significa estar enfermos o sanos. Pero es importante saber que la “depresión” no sólo puede transformarse en una enfermedad sino causar, además, un gran sufrimiento. A tal grado, que algunas

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personas cuando experimentan “Depresión mayor”, una de sus formas más grave, se suicidan durante un episodio de la enfermedad. Se dice que las enfermedades más frecuentes en países como México, son las infecciones gastrointestinales o respiratorias. Estas enfermedades, por cierto, no preocupan mucho a jóvenes porque si están sanos, lo más seguro es que el mayor daño que causen sea un día sin ir a la escuela. Pero en países en vías de desarrollo como México, la enfermedad depresiva causa más días de incapacidad laboral que las infecciones gastrointestinales y esa si puede afectar a todos y producir un gran sufrimiento. De hecho, de acuerdo a la prevalencia de la enfermedad (en idioma X, es el chance que tiene de sufrir la enfermedad en su vida), una de cada siete personas sufre un episodio depresivo(16). Es decir, en una clase de 28 alumnos, 4 de ellos la sufrirán. Algo así como uno en cada fila del salón. Pero entonces, ¿qué es la depresión? La “depresión” comprende a un conjunto de enfermedades que presentan manifestaciones comunes pero provocadas por diferentes causas y que en su conjunto se llaman “síndrome depresivo”. A su vez, este síndrome se agrupa con otros que en general se conocen como “trastornos del ánimo”. Un estudiante acucioso preguntará: ¿y que es el “ánimo”?. En el diccionario de la Real Academia Española (http://www.rae.es/rae.html) se define ánimo como: “Alma o espíritu en cuanto es principio de la actividad humana”. De manera que, con base en la Real Academia Española, puede decirse que los trastornos del ánimo son trastornos del “principio de la actividad humana”. El síndrome depresivo es uno de los trastornos del ánimo más frecuente. Este síndrome se manifiesta en varias enfermedades, entre las que destacan por su frecuencia la depresión mayor, la depresión crónica moderada o distimia y la depresión premenstrual (como parte del síndrome premenstrual) y, con menos frecuencia por fortuna, la depresión puerperal. Todas ellas provocan un conjunto de signos y síntomas comunes que varían en su intensidad y en su curso temporal. Aun cuando en conjunto estas enfermedades se presentan con una frecuencia muy alta en la población general, las causas primarias y su etiopatogenia permanecen desconocidas. Por eso, en esta breve revisión la pregunta es ¿Cuál es la causa de la depresión? Sin duda sería de una ambición desmesurada tratar de discutir la causa de todas las expresiones del síndrome depresivo. De hecho aunque se conocen muchos órganos afectados por esta enfermedad, ni siquiera se conoce el órgano (el locus orgánico) donde se inicia alguna de este grupo de enfermedades. Se sabe que en la diabetes el páncreas deja de producir insulina, en la hipertensión arterial que las arteriolas se contraen excesivamente, que en el cáncer de mama o en el de pulmón, hay células que se transformaron y se malignizaron en alguno de sus tejidos. Pero se desconoce qué órgano o qué células son afectadas para producir la enfermedad depresiva; aunque se

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El origen de la enfermedad depresiva, una búsqueda que necesita mucho ánimo.

han señalado varios núcleos cerebrales, a la fecha no existe un acuerdo de la comunidad sobre este punto. Entonces, ¿cómo buscar el órgano o los órganos afectados primariamente en este trastorno? ¿Será posible encontrar el cabo de un hilo guía, que pueda llevarnos a ese lugar? Quizá si se busca en uno de estos trastornos –utilizado como guía- encontremos un cabo al cual asirse para buscar dicho locus orgánico. En esta revisión, se usará como cabo del hilo a la depresión mayor que es uno de los trastornos más frecuentes de las enfermedades del ánimo. La depresión mayor es una enfermedad del ánimo o sea del “principio de la actividad”, quizá la que afecta con mayor frecuencia, caracterizada por períodos de al menos dos semanas en los que las personas muestran todos los días, un grupo de síntomas y signos (dolencias). Entre ellos destacan dos síntomas: la incapacidad para sentir placer a lo que llamamos “anhedonia”, y la tristeza o melancolía. Estos dos fueron llamados: “signos mayores” de la enfermedad. Recientemente fueron descritos como “características esenciales”, en su original inglés “Essentials features” (5). Ambos síntomas son definidos como disposiciones conductuales. Se define operativamente la tristeza como “ánimo bajo” y, éste a su vez, como “falla del principio de la actividad” a. En cuanto a la anhedonia, se trata de la incapacidad para sentir placer o la ausencia de la preferencia por recibir estímulos placenteros. Viéndolo así, ambas definiciones se refieren a disposiciones conductuales del enfermo, provocadas por la ausencia de la experiencia del placer o del “principio de actividad”. En ambos casos, dicha experiencia no puede ser medida directamente sino por el reporte del sujeto que la experimenta. A estos síntomas le acompañan otros como los sentimientos de baja autoestima, fatiga crónica, deseos de morir y pensamientos suicidas que llegan a manifestarse como intentos suicidas los cuales en raras ocasiones llegan a consumarse (1). Otras manifestaciones de la enfermedad pueden ser referidas como signos, en tanto que pueden ser medidas. Entre estos signos se encuentran los cambios en el peso corporal (pérdida o ganancia), alteraciones del sueño como su fraccionamiento y el incremento en la fase de movimientos oculares rápidos (fase MOR). También se han reportado cambios en algunos estudios de laboratorio, sin que alguno pueda corroborar el diagnóstico de depresión por sí mismo. Los estudios van desde los que se detectan mediante electroencefalografía del sueño hasta cambios en citoquinas o plaquetarios (7). 1a

En el diccionario de la Real Academia Española, la palabra melancolía se describe como “tristeza vaga, profunda y permanente”. Sin embargo la tristeza es definida como “cualidad del triste” y “triste” es definido en el mismo diccionario como: “De carácter ó genio melancólico”. Dada la circularidad manifiesta de esta definición, se optó por definir la tristeza como “disminución del ánimo”. Y el “ánimo” como: “principio de actividad”, siguiendo el mismo diccionario que define “ánimo” como: “Alma o espíritu en cuanto es principio de la actividad humana”.

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El objetivo ideal de todos los estudiosos de esta enfermedad, es obtener un modelo que comprenda los órganos involucrados, las alteraciones que los pacientes sufren durante la enfermedad y que explique cómo esas alteraciones producen los signos y síntomas que expresa. Y, más allá, que estas explicaciones puedan traducirse en estrategias para prevenirla y para el desarrollo de mejores tratamientos. Los modelos actuales están lejos de llegar a esta meta. Sin embargo, durante los últimos años se ha realizado un intenso trabajo para lograrlo. En este trabajo se revisan las alteraciones descritas en diferentes núcleos cerebrales de pacientes depresivos o en animales que modelan la enfermedad. Asimismo, se discuten cuales de las teorías postuladas pueden explicar estas alteraciones y, finalmente, se explora hasta qué punto es posible integrar estas diferentes teorías en una más completa, que podría orientarnos en la búsqueda de las causas de esta enfermedad. En particular, se examina cómo las diferentes manifestaciones de la enfermedad pueden explicarse por estas teorías, con énfasis en su capacidad de explicar los síntomas esenciales de la enfermedad: la anhedonia como “incapacidad para sentir placer” y la tristeza que operativamente se ha definido aquí como “falla del principio de la actividad”.

Teoría de la Aminas Biogénicas: los Inhibidores Selectivos de la Recaptura de serotonina (5-HT) y de noradrenalina (NE). Desde que Gaddum y Hamet (1954) observaron las acciones psicotrópicas del ácido lisérgico (LSD), un antagonista de los receptores 5-HT2(4), se propuso que la 5-HT (que fue identificada en el suero por su capacidad de aumentar el tono de las arteriolas), también participa en los trastornos del ánimo. Se propuso que el trastorno depresivo se debe a un déficit del aporte de los neuromoduladores 5-HT, NE y dopamina (DA) en el cerebro desde que se reconoció que la reserpina, un fármaco que suprime la disponibilidad de dichas aminas, produce severos cuadros depresivos. Esta teoría se reforzó con la aparición de los antidepresivos tricíclicos, fármacos que inhiben la recaptura de 5-HT, DA y de NA, y posteriormente de los inhibidores selectivos de la recaptura de 5-HT y de NA. Se postuló que el origen de la enfermedad se debía a un déficit en el aporte de 5-HT y NA por las neuronas del rafe medio y del locus coeruleous los cuales producen estos neurotransmisores (Para referencias ver: (15)). Pero es importante saber ahora mismo, que esta teoría ha sido seriamente cuestionada por varias razones. Para poder entender todo esto, primero debe explicarse qué significa la “inhibición de la recaptura de 5-HT”. En la Figura 1, se muestra la ilustración de una hipotética sinapsis en el cerebro. Esta estructura, se recordará, es la estructura terminal del axón de las neuronas y se compone de una región que forma algo similar a un botón al final del axón

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(el axón es como el “cable” por donde viajan las señales eléctricas desde el soma). Este “botón” almacena vesículas (bolsas) llenas de neurotransmisores 5-HT ó NE por ejemplo, y se acerca mucho a la membrana de otra neurona. Cuando llega una señal eléctrica (un potencial de acción), las vesículas viajan hacia la membrana externa y se funden literalmente con ella, pero de tal forma que la luz interna de la vesícula queda mirando hacia fuera de la neurona. De forma que los neurotrasmisores que contenía la vesícula se derraman hacia ese espacio entre la terminal del axón y la membrana del soma o dendritas de otra neurona, a la que se llama “membrana postsináptica”. Como este espacio es extremadamente estrecho, los neurotransmisores rápidamente llegan a la membrana postsináptica y se pegan a receptores específicos para ellos. Entonces, estos receptores recogen la señal y la traducen en potenciales eléctricos (como bits de computadora) y los mandan al soma para que ejerza su efecto. La teoría postula que la 5-HT y la NA mantienen el ánimo de las personas activando estos receptores que a su vez estimulan la actividad de las neuronas en ciertos núcleos cerebrales que están encargados de elevar el ánimo o el principio de actividad; en pacientes deprimidos, está reducido debido a que hay menos 5-HT y NA para activar a dichas neuronas.

Triptofano

Deplección causa recaída

Tirosina

Triptofano Hidroxilasa

Disfunción

Transportador Serotonérgico

Tirosina Hidroxilasa

Serotonina

Norepinefrina Transportador Adrenérgico

MAO-A

5HT-1A

Receptores Serotonérgicos T-1 5H

Receptor Adrenérgico

Alterado AC

PLC IP3/DAG

Reducido

IP3/DAG

Inositol PKC

Disminuido

PKA

CREB Núcleo

Figura 1. Sitios alterados durante la enfermedad depresiva de acuerdo a la teoría mono-aminérgica. Las flechas señalan en la ilustración las alteraciones en las vías metabólicas pre y postsinápticas para la síntesis de la serotonina y la noradrenalina a partir de los aminoácidos tirosina y triptófano, y su degradación por la enzima MAO. Se ilustran los receptores y las bombas de recaptura para ambos moduladores en la terminal sináptica mono-aminérgica.

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Una reducción de la disponibilidad de 5-HT ó NA ya sea por anomalías en la síntesis o en su degradación producirá el trastorno. La Figura 1 ilustra este evento. En las sinapsis de estos núcleos, existen bombas (moléculas en la membrana que actúan como recogedores) que recapturan a los neurotransmisores y los introducen en vesículas para terminar con su efecto. En la Figura 1 se ilustra que cuando los IRS bloquean estas bombas de recaptura de 5-HT y/o NA, la concentración y el tiempo en que actúan estos neurotransmisores, se incrementa aumentando la cantidad de 5-HT y NA disponible y produciéndose su efecto terapéutico. Se supone que todos los antidepresivos que se usan actualmente lo hacen mediante este mecanismo. La Figura 1 también señala diferentes enzimas, receptores, acarreadores en las membranas pre y postsináticas cuyas alteraciones se han descrito en la depresión mayor (modificado de (1)) Nestler y cols (2002; 2006(12), (2)), han propuesto que la 5-HT mantiene la integridad de las conexiones sinápticas en el hipocampo, estimulando la producción de un factor de crecimiento llamado Factor de desarrollo cerebral “Brain development neuronal factor” (BDNF). También se ha sugerido que el fenómeno de neurogénesis que se observa en el giro dentado (otra región del hipocampo), se detiene durante los episodios depresivos y que el proceso se restituye con el tratamiento antidepresivo con citalopran (9) y que lo hace en el mismo curso temporal con el que produce su efecto antidepresivo (2). En soporte de esta hipótesis se encontró un hipocampo de tamaño menor al normal en autopsias de pacientes con historial de múltiples episodios de depresión mayor (1). Sin embargo, hay varias observaciones que contradicen esta explicación. Entre ellas, dos son muy relevantes: Si la acción de estos fármacos es aumentar la concentración del neurotransmisor 5-HT ó NA para que este active algún receptor con mayor eficacia, entonces debería ser posible administrar un agonista (una molécula similar) que activa ese receptor y así, obtener una respuesta parecida. Pero hasta la fecha, ninguno de los agonistas de los 14 receptores de 5-HT y/o de otros 9 de NA que se conocen o la combinación de ellos, imita el efecto de los inhibidores de la recaptura de ambos moduladores. Entonces, si no actúan sobre un receptor ¿cómo ejerce su efecto terapéutico la 5-HT o la NA? La segunda observación es que el tiempo que tardan estos fármacos en producir su efecto terapéutico es muy largo. Con frecuencia empieza dos semanas después de que los pacientes comenzaron a tomar los fármacos y en ocasiones tarda hasta seis semanas. Sin embargo, en preparaciones “in vitro” en el laboratorio, se ha mostrado que su supuesto efecto terapéutico, la inhibición de la recaptura de 5-HT o de NE, se produce en 45 minutos. Más allá de estos problemas para entender su efecto terapéutico, estudios epidemiológicos recientes han mostrado que la eficacia terapéutica de los ISRS como el citalopran

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reducen los síntomas depresivos sólo entre el 40-50% de los enfermos tratados y menos del 30% logran quedar asintomáticos después de 14 semanas de tratamiento (13, 14). Y si consideramos que el efecto placebo es suficiente para aliviar entre el 15 y el 25 % de la población, entonces encontramos que los beneficios del citalopran, el más selectivo de los inhibidores de la recaptura de 5-HT, son limitados. Además de esto, hay que tener en cuenta que aun cuando muchos autores consideran que los antidepresivos diseñados para incrementar la transmisión aguda de las monoaminas (5-HT, NE y DA), ofrecen el mejor índice terapéutico; (ver revisión de Krishnan and Nestler, 2008 (7)), también es cierto que la mayoría de estos fármacos actúan sobre múltiples sistemas y el efecto terapéutico observado podría no sólo deberse a su acción sobre el sistema de las aminas biogénicas. De hecho, por ejemplo, hemos propuesto que el sistema de la adenosina podría contribuir en el efecto terapéutico de uno de los antidepresivos tricíclicos más potentes, la amitriptilina (3). ¿Y cómo se descubrieron los antidepresivos tricíclicos y los inhibidores de la recaptura de 5-HT y de NE? Pues, por serendipia. (Dicho en idioma “X” ¡de pura suerte!). ¿Pero qué síntomas y signos de la enfermedad podría explicar el trastorno en la disponibilidad de 5-HT y NE? Se sabe que la 5-HT es importante para mantener los ciclos de sueño y la fase de sueño profundo. La 5-HT también ha sido vinculada a la regulación del apetito. Las alteraciones en la disponibilidad de 5-HT podrían explicar la falta de sueño y la pérdida de peso que se observa en algunos pacientes deprimidos. Mientras que la NE participa en la inducción de la fase de sueño en la que hay movimientos oculares rápidos (conocida como “sueño MOR”). También es importante en la regulación del aprendizaje, quizá porque la NE es esencial para mantener la atención. Es interesante anotar que la falta de sueño MOR impide el aprendizaje. Los trastornos de aprendizaje y memoria durante la enfermedad podrían deberse a la disfunción del sistema de la NE. Finalmente, es necesario preguntar si esta teoría explica los síntomas esenciales de la enfermedad. Ciertamente la 5-HT, la NE y la dopamina participan en la coordinación de los movimientos en diferentes sistemas y estados fisiológicos. Pero no hay una explicación de cómo ambos podrían establecer la condición para iniciar la actividad y, por tanto, cómo podrían producir una falla del “principio de actividad”. Tampoco explica la anhedonia “la incapacidad para sentir placer”, los dos síntomas esenciales. Aun cuando sigue siendo aceptado que todos los fármacos antidepresivos ejercen su efecto terapéutico modificando la disponibilidad de 5-HT y NE en el sistema, la baja eficiencia de los tratamientos basados en estas hipótesis ha motivado la búsqueda de teorías alternativas para explicar la enfermedad. Y a partir de estas teorías han sido propuestas diferentes alternativas terapéuticas. En la página 16 se referirán algunas de estas alternativas que han sido puestas a prueba en los últimos años.

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Los glucocorticoides y el factor liberador de corticotropina en la depresión mayor. En la clase de fisiología se conoce que en el cuerpo existe un sistema encargado de preparar y coordinar para responder a las situaciones de emergencia o de estrés. En la figura 2 se ilustra este sistema que es conocido como “Eje Adreno-corticotrópico” formado por neuronas del hipotálamo y células endocrinas de la glándula hipófisis y de las glándulas suprarrenales. Las neuronas del hipotálamo secretan una substancia conocida como “Factor Liberador de Corticotropina” (conocido como CRF por sus siglas en inglés), este factor es liberado en la glándula adenoides donde, a su vez, estimula la secreción endocrina de una hormona: la corticotropina que viaja por la sangre hasta las glándulas suprarrenales, y ahí estimula le secreción de cortisol, que es una hormona anabólica (que aumenta la masa muscular y es una tentación para esos individuos que llaman “metrosexuales”) que se libera como respuesta al estrés crónico y produce cambios profundos tanto fisiológicos como estructurales en todo el cuerpo.

Figura 2. Teoría del desbalance en el eje adreno-corticotrópico. Se ilustran las estructuras alteradas en la enfermedad depresiva, producto de la disfunción del eje adreno-corticotrópico y la vía del BDNF en el hipocampo. Las etiquetas señalan las estructuras del eje afectadas en la enfermedad, y estructuras que han sido asociadas a su disfunción. Las flechas indican la fuente y el lugar de acción del CRF y del cortisol en el eje.

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¿Y cuál es la relación de la depresión con este eje? Pues bien, el eje adreno-corticotrópico es un componente esencial para inducir los cambios corporales que permiten las respuestas del individuo al estrés crónico y le permiten adaptarse a él . Sin embargo, una estimulación excesiva de este eje o la exposición crónica al cortisol que produce, induce un estado clínico semejante a la depresión (produce estado blue, o “depre”). Por el contrario, durante los estados depresivos, en algunos casos se observa un incremento en la actividad de dicho eje que se traduce en incremento en la concentración del CRF y del cortisol en la sangre. Esto además implica una reducción en los mecanismos de autocontrol o retroalimentación negativa entre el cortisol y el CRF. Y aunque no se sabe cómo participa esta anomalía en la generación del trastorno depresivo, sí se sabe que la normalización en la actividad de este eje es necesaria para que emerja el efecto terapéutico durante el tratamiento con antidepresivos (que se presume, actúan sobre la 5-HT y la NE). De hecho la hipercolesterolemia (aumento del cortisol en la sangre) produce atrofia de las espinas dendríticas en el hipocampo y detiene la aparición de nuevas neuronas en el giro dentado del hipocampo análogamente a lo que se observa durante los episodios de depresión mayor, y que se explica en la siguiente sección, y que son prevenidos por los antidepresivos (2). Los autores no conocemos ningún trabajo que haya abordado cómo la disfunción en el eje adreno-corticotrópico puede producir los síntomas de la enfermedad. Se infiere que un incremento sostenido en su actividad produciría otro incremento análogo en la secreción de NE; dicho incremento lejos de producirla, prevendría los síntomas de la depresión. No hay referencias que relacionen la actividad del eje adreno-corticotrópico con ninguna de las características esenciales de la enfermedad, la anhedonia ó la falla en el principio de la actividad.

El Hipocampo, la neurogénesis, el BDNF y la enfermedad depresiva Un estudiante de medicina, enfermería, psicología, biología u odontología, seguro ya habrá escuchado que antes se creía que las neuronas con las que se nace, son con las que se muere. Pues desde hace unos años se ha mostrado evidencia de que esto es falso y que a lo largo de toda la vida están apareciendo nuevas neuronas en el cerebro. Y, aunque parezca increíble, esto lo descubrió un etólogo cuando estudiaba el canto de los canarios. Pero no hay espacio para contar esa historia, de tal modo que sólo habrá que decir que en una región del hipocampo llamada “giro dentado” toda la vida están apareciendo nuevas neuronas. Lo anterior viene a colación porque desde hace ya unos diez años ya se reportó que durante los episodios de depresión mayor, el tamaño del hipocampo se reduce. Al mismo tiempo, la aparición de nuevas neuronas en el giro dentado del hipocampo se detiene y

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al mismo tiempo se reduce el tamaño y en el número de espinas dendríticas del área CA1 del hipocampo. Se observó que ambos fenómenos se recuperan durante el tratamiento con antidepresivos como la flouxetina, y la recuperación sigue el mismo curso temporal que la recuperación de los síntomas clínicos de los enfermos. Se sabe también que el bloqueo de un receptor conocido como TRK y que es activado por un péptido conocido como “Factor cerebral del desarrollo neuronal” (BDNF por sus siglas en inglés) detiene la acción de los antidepresivos. Se sugirió que la acción del BDNF sobre la regeneración neuronal en el hipocampo, también sigue el mismo curso temporal que el efecto terapéutico de la flouxetina. Por lo que se propuso que agonistas de este tipo de receptores del BDNF, podrían ser un nuevo tipo de antidepresivos (9). Sin embargo, a la fecha ningún fármaco análogo de estos receptores ha tenido éxito como antidepresivo en los estudios clínicos. Además de esto, posteriormente se encontró que el BDNF en otras regiones del cerebro como el núcleo acumbens y el área ventral del tegmento, ejerce las acciones opuestas a las observadas en el hipocampo. De hecho cuando se inactivó el gen para el BDNF1 en área ventral del tegmento y en el núcleo acumbens también se produjo una acción depresiva en una prueba conductual que modela la depresión. Y más aún, la supresión del gen que expresa el BDNF no produce un fenotipo depresivo por lo que su posible acción terapéutica fue puesta en duda. De hecho, hasta ahora ni el BDNF ni los agonistas de sus receptores han sido exitosos para producir acción antidepresiva en modelos animales. ¿Y que síntomas o signos de la enfermedad podrían explicar las alteraciones descritas en el hipocampo? Ya que el hipocampo ha sido relacionado con la memoria y la consolidación del aprendizaje, a primera vista los trastornos descritos en el hipocampo podrían interferir con dichas funciones. Pero, para las características esenciales de la enfermedad, la anhedonia o la falla en el principio de la actividad, hasta donde se sabe, no ofrece explicación.

Otras teorías en progreso Además de las teorías descritas para desarrollar nuevos antidepresivos, existen otras líneas de investigación que deben ser mencionadas, aunque sea brevemente. Se ha mostrado que la ketamina, un anestésico de corta duración usado comúnmente en la clínica y que es un antagonista de los receptores NMDA, también produce un potente efecto antidepresivo y este efecto es casi inmediato, a diferencia de los antidepresivos actuales (8). Desgraciadamente la ketamina produce síntomas psicóticos como alucinaciones que limitan su uso clínico. Además de estos, los agonistas de otro grupo de receptores glutamatérgicos conocidos como “AMPA/Kainato” han mostrado también acción antidepresiva. Un agonista de estos receptores denominado “Riluzole” ha mostrado efecto

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antidepresivo. Esta droga se cree que modula un receptor glutamatérgico que afecta varias conductancias iónicas. Las vías que median la respuesta al dolor y la repuesta inflamatoria también participan en la regulación del ánimo. Se sabe, por ejemplo, que dosis bajas de un polisacárido que es liberado durante el proceso inflamatorio, la “interleuquina-1, produce una conducta conocida como “conducta de enfermedad” (“sickness behavior” en inglés) la cual es semejante a la conducta depresiva. Dicha conducta también es inducida por los antagonistas de los receptores de la substancia P, una de la citocinas que median el dolor y la respuesta inflamatoria. Mientras que otras citocinas tienen una acción antidepresiva como la interleuquina 6 y el factor tumoral de necrosis (ver revisiones: (1, 7)). De las teorías mencionadas arriba, la alteración en el funcionamiento coordinado de los receptores NMDA y los AMPA/Kainato en la corteza cerebral y el núcleo acumbens podrían explicar la incapacidad para iniciar actividades y quizá el trastorno en el “principio de la actividad” o el ánimo. Sin embargo, el campo no ha sido explorado más allá de las observaciones descritas y no explican el resto de las manifestaciones de la enfermedad.

Tratamiento de la depresión mayor Se calcula que únicamente el 25% de los pacientes con depresión mayor se encuentran bajo tratamiento. Se reportó que alrededor del 80% de los pacientes con enfermedad depresiva experimentan alguna mejoría con alguno de los fármacos antidepresivos (7, 11). Las terapias farmacológicas conocidas son: a) inhibidores de monoaminas, dentro de los cuales se encuentran, 1) los inhibidores selectivos de la recaptura de serotonina (SSRI, por sus siglas en inglés). 2) los inhibidores selectivos de la recaptura de noradrenalina, 3) los inhibidores de la recaptura de serotonina y de noradrenalina (SNRI); b) antidepresivos tricíclicos, c) inhibidores de la monoamino oxidasa, d) litio e) antidepresivos atípicos. Dentro de las terapias no farmacológicas encontramos:

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a) psicoterapia, b) terapia electroconvulsiva, c) estimulación magnética, d) estimulación nerviosa vagal, y e) estimulación cerebral profunda.

Tratamientos farmacológicos Los fármacos inhibidores de recaptura de monoaminas actúan incrementando la disponibilidad de los neuromoduladores (serotonina, norepinefrina y dopamina) en el espacio intersináptico, mediante la inhibición del transportador específico presináptico de la recaptura de la respectiva monoamina. Se postuló que el tratamiento crónico con inhibidores de la recaptura de monoaminas incrementaría la activación del AMPc, el cual a su vez estimularía la proteína cinasa A, que permitiría el incremento en la síntesis del BDNF. Así, la activación del AMPc inducida por antidepresivos inhibidores de monoaminas sería capaz de aumentar la sensibilidad de los receptores de los factores de crecimiento e inhibiría la señalización de citocinas y por lo tanto ayudaría a la restauración de los neurocircuitos de retroalimentación del sistema (10). Recientemente, en un estudio multicéntrico iniciado en la Universidad de Texas en el año 2003 llamado “STAR*D” en pacientes intrahospitalarios y deambulatorios se evaluó directamente a cerca de 3 mil pacientes durante episodios depresivos usando escalas bien reconocidas para medir depresión como la de Hamilton y el inventario de rápido de Beck. Se reportó que después del tratamiento por seis semanas con el más selectivo de los inhibidores de la recaptura de 5-HT, el Citalopran, volvió a evaluarse el estado depresivo de los pacientes utilizando las mismas herramientas. Los resultados indican que en los pacientes con depresión mayor sólo el 47 % de éstos, reportan mejoría de su sintomatología después de 14 semanas de tratamiento; y menos del 30% obtienen remisión del padecimiento (14). También se han comparado inhibidores de la recaptura de la serotonina contra agentes de actividad dual, la mayoría antidepresivos tricíclicos. En pacientes no hospitalizados no se halló diferencia; sin embargo, en pacientes internados se encontró ventaja con los fármacos antidepresivos tricíclicos de acción dual (es decir que inhiben la recaptura de 5-HT y de NE). Aun cuando los tratamientos actuales de la depresión mayor se inician con inhibidores de la recaptura de la serotonina, el papel de los tratamientos combinados o inhibidores de la recaptura duales (Los que actúan sobre el sistema de la 5-HT y de la NE) están siendo considerandos cada vez más como una opción preferida. El objetivo de modular ambos sistemas serotoninérgico y noradrenérgico es mejorar no sólo en las características centrales de la depresión mayor, sino también en los síntomas físicos

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asociados. En un modelo animal de dolor crónico, el tratamiento con la amitriptilina, un inhibidor de la recaptura de 5-HT y NE produjo también mejoría (10). El eje hipotálamo-hipófisis-adrenal regula la respuesta al estrés. Las investigaciones clínicas sugirieron que el fármaco R121919, un antagonista del receptor CRF1, tiene acción antidepresiva con reducción tanto de los niveles de ansiedad como de los puntajes obtenidos en las pruebas para medir depresión. Sin embargo este medicamento ha sido asociado a elevación de la función de enzimas hepáticas, debido a ello se descontinuó su investigación, pero se siguen buscando fármacos antagonistas con CRF1 como blanco. También se están explorando otros componentes de dicho eje como antidepresivos potenciales, un ejemplo de ello es la molécula que impide la síntesis de la proteína que forma el receptor de vasopresina (antisentido para este receptor), la cual produce efecto ansiolítico. La administración de un antagonista para receptores de vasopresina “b1” produce un efecto antidepresivo en la prueba de nado forzado e incrementa la neurogénesis, en animales. Los individuos deprimidos expresan niveles elevados de vasopresina los cuales revierten al utilizar fluoxetina. Fármacos antagonistas de los receptores a vasopresina “b1” se encuentran ahora en fase clínica II de investigación farmacológica. Otros blancos para el tratamiento antidepresivo son: los inhibidores de la síntesis de esteroides (ej.: metirapone y ketoconazol), antagonistas de los receptores de glucocorticoides (ej.: mefepristona), antagonistas de las citokinas pro-inflamatorias, por ejemplo: los antagonistas de receptores del factor tumoral de necrosis (TNFα), antagonistas de los receptores de la substancia P y los receptores de la neurokinina 1, los agonistas de receptores de la melatonina (ejemplo: la agomelatina), ácidos grasos omega3, y los agentes anticolinérgicos. Con todo, ninguno de los fármacos que están siendo explorados, ha resultado en una promesa razonable para mejorar el tratamiento actual (7). La psicoterapia no ha mostrado resultados superiores a la farmacológica de acuerdo con los datos aportados por el proyecto STAR-D. Sin embargo, el mismo estudio mostró que las secuelas neurobiológicas y repercusiones de la depresión crónica y recurrente se reducen con un tratamiento efectivo y temprano. De hecho, se reporta que uno de los mejores indicadores para predecir la remisión ha sido la respuesta al tratamiento agudo (10). En pacientes resistentes al tratamiento farmacológico, se ha recomendado el tratamiento electroconvulsivo, se ha sugerido que este tratamiento disminuye la expresión de los receptores adrenérgicos beta y colinérgicos muscarínicos acoplados a proteínas G y aumentan las proteínas heterodiméricas acopladas a adenilato ciclasa. Se ha reportado, una modulación del nivel de expresión de diferentes subunidades G tipo alfa, por electroconvulsión. Aunque el tratamiento antidepresivo crónico también altera la expresión y la actividad funcional de proteínas G heterodiméricas, es poco probable que sean un blanco molecular directo de fármacos antidepresivos (6). Y desgraciadamente, no se conoce explicación de cómo dichos

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cambios modifican los síntomas esenciales de la enfermedad, la anhedonia y la tristeza o el principio de la actividad. Siendo la remisión y la recuperación la meta del tratamiento, las guías derivadas de los modelos neurobiológicos han señalado la necesidad no sólo de tratamientos tempranos con intervenciones adecuadas a cada caso, sino también de atención vigorosa a los síntomas residuales. Las recomendaciones específicas para el tratamiento de síntomas residuales aún no han sido determinadas, aunque probablemente necesiten tratamiento adicional con otros fármacos y tratamiento psicológico, para reducir el riesgo de recaídas. El tratamiento de síntomas residuales puede aumentar el apego al tratamiento y mejorar los resultados a largo plazo (10). En casos de depresión moderada se puede observar mejoría con psicoterapia, y al combinarla con fármacos antidepresivos se pude obtener efecto sinérgico (2).

CONCLUSIONES Como se ha visto, la eficacia de las terapias disponibles es baja ya que la remisión es menor al 30% en el primer tratamiento y los esfuerzos para incrementar dicha eficacia han fallado. A la fecha ninguno de los indicadores de los factores ambientales como el estrés asociado al comienzo de los episodios de depresión mayor o de los factores genéticos como las variantes encontradas en la expresión de genes relacionados con los sistemas aminérgicos, han sido exitosos para establecer el diagnóstico de la enfermedad y menos para predecirla. La razón central de esta falla, es la falta de una comprensión adecuada del origen, así como el curso de los trastornos orgánicos y funcionales que se desarrollan durante la enfermedad y más aún, de una teoría que al menos trate de explicar los síntomas esenciales de la enfermedad, que son: la anhedonia y la tristeza o, como se definió operativamente, el trastorno en “el principio de la actividad”. Quizá, el estudio de las alteraciones en el funcionamiento coordinado de los receptores AMPA/Kainato y NMDA, podrían abrir un camino para entender uno de ellos: “el principio de la actividad”, y dar más ánimo para continuar en esta búsqueda.

AGRADECIMIENTOS Al Dr. Jorge Ortigoza y al Dr. Eric Murillo Rodríguez por su revisión editorial. Financiado por CONACYT Ciencia Básica 2006, No 060415 y UADY: CIRB -06-004.

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BASES NEUROPSICOLÓGICAS DEL DESARROLLO DE LAS HABILIDADES DE CÁLCULO Y SUS ALTERACIONES Capítulo 7 Dra. Julia Orozco y Dra. Esmeralda Matute Laboratorio de Neuropsicología y Neurolingüística del Instituto de Neurociencias, CUCBA. Universidad de Guadalajara. Guadalajara, Jalisco, México

INTRODUCCIÓN El cálculo es una función compleja que requiere de la integración de diversos procesos cognitivos los cuales se dominan a través de aprendizajes específicos modificables a lo largo de la vida. De acuerdo a los logros alcanzados, son las áreas cerebrales que entran en juego. Existe evidencia empírica de que los seres humanos presentan una tendencia innata hacia el desarrollo de habilidades numéricas básicas, o biológicamente primarias: La numerosidad y la ordinalidad. La numerosidad permite determinar con precisión la cantidad de gru-

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pos pequeños de objetos, o eventos, sin necesidad de contarlos. Según Geary (15), en los seres humanos, los juicios exactos de numerosidad se limitan a grupos de hasta cuatro elementos. Se puede considerar que un niño es capaz de entender la numerosidad de un conjunto cuando comprende que existe una correspondencia de uno a uno entre los objetos de dos grupos, que la manipulación de los grupos cambia la numerosidad (la combina, aumenta o disminuye) y que los grupos no necesitan ser de objetos visibles. La ordinalidad involucra inicialmente la comprensión de los conceptos de mayor y menor que, y después, de las relaciones ordinales específicas. Esto es, por ejemplo, comprender que 6 es mayor que 5, que 5 es mayor que 4, y así sucesivamente. Esta habilidad es básica para aprender a contar. Estas habilidades básicas se ven complementadas por otras habilidades secundarias, que son adquiridas a través del aprendizaje escolar o cultural. Según Butterworth(5) y Geary (15) estas habilidades secundarias tienen que ver con la representación simbólica de los números y con las operaciones cada vez más complejas que se pueden llevar a cabo con ellos siguiendo un conjunto de reglas preestablecido. Sobre estas dos habilidades -numerosidad y ordinalidad- se construye el resto del aprendizaje numérico.

Desarrollo de las habilidades aritméticas Contar Aprender a contar más de tres objetos, es un aprendizaje lento que toma al niño de los dos a los seis años de edad (2; 5). Según Gelman y Gallistel (18) contar requiere de la aplicación de los siguientes principios o habilidades: • Orden estable. Las palabras para contar mantienen siempre el mismo orden. • Correspondencia uno a uno. Cada número debe unirse a un objeto sólo una vez. • Cardinalidad. La numerosidad de un conjunto corresponde al último número utilizado al contar. • Abstracción. Todo puede ser contado. • Irrelevancia de orden. Se puede comenzar a contar desde cualquier objeto de un grupo.

Aritmética simple Antes de ingresar a la escuela, los niños tienen diversos logros aritméticos. En la Tabla 1 se detallan estos. Al ingresar a la escuela el niño comienza a aprender habilidades

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numéricas que son determinadas por la cultura, a diferencia de las habilidades universales descritas anteriormente. Geary (15) las denominó habilidades biológicas secundarias. Aunque no se ha establecido un patrón de desarrollo para ellas, existen similitudes en la forma en que estas habilidades secundarias se adquieren a través de distintos lugares y épocas, aun cuando varían en el grado de dominio que se logra; por ejemplo, algunas culturas hacen más énfasis en la comprensión de los principios de las operaciones aritméticas, mientras que otras lo hacen en el aprendizaje de los hechos numéricos (5). En la actualidad en la mayoría de los países industrializados se espera que los niños y adolescentes dominen al menos las siguientes competencias: • Números y contar. Los niños deben ser capaces de dominar el sistema para contar, entender el sistema base 10, y transcribir números de un tipo de representación a otro (ej.: de verbal a números arábigos y viceversa). • Operaciones aritméticas. Se espera que los niños memoricen las operaciones sencillas (por ejemplo, 3+4, 7×2) y aprendan los procesos necesarios para resolver problemas aritméticos más complejos (ej.: 766+987, 451÷34). • Problemas en palabras. En la mayoría de los países, los niños comienzan a resolver problemas sencillos en palabras desde el preescolar. La dificultad principal de esta clase de problemas es identificar el tipo de operación necesaria para resolverlo (sumar, comparar, dividir, etc.) y traducir las representaciones verbales a matemáticas. A lo largo de los grados escolares, su complejidad aumenta, hasta llegar en la educación secundaria, a problemas que requieren de múltiples pasos para ser resueltos.

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Tabla 1. Logros en el desarrollo temprano de la aritmética. (Tomado de Butterworth, 2005a) Edad Años;meses

Logro

0;0

Discriminar con base en numerosidades pequeñas (Antell & Keating, 1983).

0;4

Sumar y restar uno (Wynn, 1992)..

0;11

Discriminar secuencias de numerosidad que aumentan de las que disminuyen (Brannon, 2002)

2;0

Inicia el aprendizaje de las secuencias de palabras para contar (Fuson, 1992). Establecer la correspondencia de uno a uno en una tarea de compartir (Potter & Levy, 1968) .

2;6

Reconocer que las palabras para contar significan más que uno (Wynn, 1990)

3;0

Contar números pequeños de objetos (Wynn, 1990).

3;6

Sumar o restar uno con objetos o palabras (Starkey & Gelman, 1982); Utilizar el principio de cardinalidad para establecer la numerosidad de un conjunto (Gelman & Gallistel, 1978) .

4;0

Utilizar sus dedos para ayudarse a sumar (Fuson & Kwon, 1992)

5;0

Sumar números pequeños sin contar (Starkey & Gelman, 1982)

5;6

Entender la conmutabilidad de la suma y contar del número mayor (Carpenter & Moser, 1982); Contar correctamente hasta 40 (Fuson, 1988) .

6;0

“Conservar” números (Piaget, 1952).

6;6

Comprender la complementariedad de la suma y la resta (Bryant et al, 1999); Contar correctamente hasta 80 (Fuson, 1988).

7;0

Recupera algunos datos aritméticos de memoria.

Modelos Cognitivos Los modelos cognitivos actuales sugieren que existen al menos dos tipos de representaciones para número: una basada en el lenguaje y que sirve para almacenar conocimiento aritmético exacto (procesamiento simbólico) y otra representación que es independiente del lenguaje y que representa la magnitud numérica para su manipulación y aproximación (procesamiento no-simbólico). De acuerdo a Fischer (14), el aprendizaje del cálculo está basado esencialmente sobre interacciones verbales: el conteo que implica principalmente la memorización de la cadena convencional de los nombres de los números; la subitización que, en tanto capacidad de denominación, es originalmente una capacidad de expresión verbal y la

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comprensión del número cuyas preguntas y respuestas son también de tipo verbal. Sin embargo, y de acuerdo a este mismo autor, los bebés tienen posibilidades de tipo no verbal para percibir los números.

La Discalculia La discalculia es una incapacidad congénita y persistente para alcanzar un nivel cercano a lo normal en habilidades numéricas (dos desviaciones estándar por debajo de su edad en una prueba aritmética estandarizada), en personas que poseen un CI normal. Los sujetos con discalculia también tienen dificultades para aprender y recordar conceptos numéricos básicos y llevar a cabo operaciones sencillas, y por ello dependen de estrategias inmaduras (como contar con los dedos), para resolver problemas que las demás personas pueden resolver automáticamente (5; 30). En la última versión del Manual diagnóstico y estadístico de los trastornos mentales (DSM-IV-TR) de la American Psychiatric Association (1) se incluye además que para emitir el diagnóstico de discalculia o trastorno del cálculo, estas características deben de interferir significativamente en el rendimiento escolar o cotidiano del sujeto, y que las dificultades para el cálculo no se deban a un déficit sensorial. Por su parte, en el CIE-10 de la Organización Mundial de la Salud (23), se establece un punto de corte para el diagnóstico en dos desviaciones estándar por debajo del nivel esperado de capacidad de cálculo, y lo clasifica como “trastorno específico de la capacidad para el cálculo”. Una diferencia de clasificación con el DSM-IV es que, de acuerdo al CIE-10, si existe comorbilidad con un trastorno de lectura, este último tiene prioridad y es el único que se diagnostica. En la literatura acerca de las alteraciones del desarrollo de las habilidades numéricas se utilizan otras etiquetas intercambiablemente: discalculia del desarrollo, trastorno del cálculo, deficiencia en el aprendizaje de las matemáticas. Estudios de seguimiento, como el llevado a cabo en Israel por Shalev y sus colaboradores (30), muestran que la discalculia, al igual que los otros trastornos específicos del aprendizaje, es un trastorno persistente. Esta persistencia está asociada a inatención y a un CI más bajo, lo que exacerba las dificultades que enfrenta los individuos con discalculia.

Prevalencia La prevalencia estimada de la discalculia varía de acuerdo con los criterios que se utilicen para seleccionar la muestra y las pruebas que se manejen para medir a los sujetos. En la tabla 2, modificada de Reigosa (28) y de Butterworth (6), se muestran las prevalencias obtenidas por algunos estudios. En ella se indican también los criterios de inclusión utilizados.

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Tabla 2. Prevalencia de la discalculia según diversos estudios y los criterios de inclusión utilizados. Autor

Año

Lugar

Badian

1983

Estados Unidos

APA

1994

Lewis et al.

1994

Shalev, Auberbach, Manor, Gross-Tsur Matute, Pinto-Rodríguez, Zarabozo Reigosa-Crespo et al. Dirks, Spyer, Lieshout, Sonneville

Criterios de inclusión

Prevalencia %

Puntuación menor al 20º percentil en el Stanford Achievement Test

6.4

Puntuación estandarizada en aritmética en discrepancia con CI

Inglaterra

Resultado menor a 85 en una prueba de aritmética, y mayor que 90 en NVIQ

3.6

2000

Israel

Discrepancia de 2 años entre su rendimiento académico para aritmética y su grado escolar

6.5

2006

México

Dos desviaciones estándar por debajo de la media en el WRAT3

2.1

En prensa

Cuba

Bajo rendimiento académico en aritmética y 2 desviaciones por debajo de la media en MAXIMAT

5.9

2008

Holanda

Por debajo del percentil 25 en computación aritmetica en el Cito Rekenen-Wiskunde Test

10.3

Comorbilidad Varios estudios han analizado la comorbilidad entre la discalculia y distintos trastornos de aprendizaje. En especial se ha señalado su comorbilidad con el trastorno de lectura o dislexia (13). Sin embargo, las características cognitivas de los niños que presentan esta comorbilidad son diferentes a las de aquéllos con un sólo déficit (en lectura o en aritmética) (13). Mientras que los discalcúlicos tienen problemas para asociar automáticamente numerales arábigos con su representación interna de magnitud, a la vez de que pueden asociar automáticamente letras con sus fonemas, los disléxicos presentan un patrón opuesto (29). Estos resultados sugieren que el desarrollo de competencia simbólica en diferentes dominios simbólicos (ej., dígitos y letras), más específicamente, la habilidad para asociar esos símbolos con sus representaciones internas, es de dominio específico. En caso de presentarse comorbilidad dislexia/discalculia, ésta sería sugerente de una doble asociación o bien de una dificultad general en asociar automáticamente símbolos con su representación mental. De ahí las diferencias en las características cognitivas entre los grupos.

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Bases neuropsicológicas del desarrollo de las habilidades de cálculo y sus alteraciones

Características de la discalculia La principal característica de la discalculia es la dificultad para aprender y recordar hechos numéricos, y para ejecutar procedimientos de cálculo. Se considera que los niños con discalculia tienen problemas para realizar tareas que requieren de la comprensión de conceptos numéricos, incluso los más básicos, como es la numerosidad. El hecho de que discalcúlicos sean más lentos al realizar juicios sobre la identidad numérica con patrones de pares de 3 puntos en comparación con los de 2 puntos es interpretado por Koontz y Berch (21) como un indicador de que los niños con dificultades numéricas cuentan los puntos en los patrones de 3 elementos antes de llegar al juicio de identidad y es sugerente de que estos niños tienen un rango de subitización inferior al de los niños normales, hecho que también es observado por Reigosa-Crespo y colaboradores (27). Además, estos últimos autores encuentran que las diferencias entre los discalcúlicos y sus pares son más pronunciadas al manejar numerosidades mayores, lo que sugiere un uso inadecuado de las estrategias de conteo y que además de tener un desempeño más bajo en pruebas estandarizadas, muestran un comportamiento atípico y menos eficiente al reconocer numerosidades de conjuntos de puntos y al comparar numerosidades. Con relación en la resolución de operaciones básicas, los niños con discalculia tienen un menor número de aciertos al realizar restas y multiplicaciones de un solo digito que los niños controles, además de ser más lentos al sumar, restar y multiplicar (22). De hecho, se considera que en general los niños con discalculia son más lentos para resolver problemas aritméticos ya que dependen de estrategias inmaduras. Dado lo anterior, con frecuencia su problema no es obvio cuando sólo se considera eficiencia en una prueba aritmética sin límite de tiempo, ya que los aciertos no indican el tipo de estrategia utilizada (4; 5; 19). En adultos jóvenes con discalculia, Rubinsten y Henik (29) observaron una disminución en la capacidad para asociar automáticamente numerales arábigos con su representación interna de magnitud, mostrando un nivel similar al de niños al final del primer grado de primaria.

Modelos explicativos de la discalculia En la actualidad, existen dos modelos principales para explicar las causas y características de la discalculia: el modelo del déficit los procesos cognitivos no-numéricos, y el modelo del déficit en el procesamiento numérico. El primero de estos modelos tiene sus bases principalmente en el trabajo de Geary (15. En él se considera que los déficits observados en los niños con trastornos aritméticos se deben a alteraciones en las funciones ejecutivas caracterizadas por un pobre manejo de los recursos atencionales, falta de inhibición de asociaciones irrelevantes, dificultades en la memoria de trabajo. Asimismo, se reconocen dificultades en la representación y manipulación del lenguaje.

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Por su parte, el modelo del déficit en el procesamiento numérico (6) sugiere que la base de las dificultades observadas en los niños con discalculia se encuentra en una pobre comprensión de los números y de los conceptos numéricos básicos. En él se señala, además, que la causa subyacente es una alteración en los circuitos cerebrales encargados del procesamiento numérico. Así por ejemplo, la pobre memoria para los hechos aritméticos y el uso de estrategias inmaduras o ineficientes para calcular pueden ser explicadas de acuerdo a este modelo por una dificultad para entender los principios de cardinalidad o de la numerosidad de un conjunto. Además, los niños con discalculia tienen problemas en la realización de tareas que requieren de la comprensión de conceptos numéricos, incluso los más básicos, como es la numerosidad. Lo anterior sugiere que el problema fundamental de estos niños se ubica en la realización de tareas numéricas básicas. (6; 22; 28)

Funcionamiento cerebral y desarrollo de las habilidades de cálculo Maduración cerebral en etapas postnatales Existe evidencia suficientemente sólida que permite establecer que en etapa postnatal, a medida que la corteza cerebral se hace más compleja debido a diferentes procesos de maduración tales como los procesos dendríticos y la mielinización, aparecen conductas cognitivamente más elaboradas. A su vez, la aparición de estas conductas conlleva a una mayor complejización de las estructuras cerebrales y así, a partir de esta interacción desarrollo cognitivo-maduración cerebral, se alcanza la madurez cognitiva y la estructural y funcional propia del cerebro del adulto. La maduración del Sistema Nervioso Central es secuencial y se rige por etapas preprogramadas bajo principios claros y bien definidos. Sigue un eje vertical, iniciándose en las estructuras subcorticales y continuando en las estructuras corticales. Dentro de la corteza mantiene una dirección horizontal, iniciándose en las zonas primarias y prosiguiendo a las regiones corticales de asociación. Esta organización maduracional implica además cambios progresivos dentro del mismo hemisferio cerebral (maduración intrahemisférica) y acrecienta diferencias estructurales y funcionales entre los dos hemisferios cerebrales (maduración interhemisférica). En el momento del nacimiento solamente unas pocas áreas del cerebro están completamente mielinizadas, como son los centros del tallo cerebral que controlan los reflejos. Los hemisferios cerebrales completan su mielinización más tarde, iniciando por las áreas primarias sensoriales y motoras, seguidas por las áreas secundarias motoras y sensoriales. Con relación a las áreas terciarias o de asociación, las que terminan primero su proceso de maduración son las áreas sensoriales. Éstas son cimiento de los aprendizajes académicos de lectura, escritura y matemáticas El proceso de maduración de las áreas terciarias frontales o motoras es el más lento y termina hacia los 30 años de edad.

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Bases neuropsicológicas del desarrollo de las habilidades de cálculo y sus alteraciones

Este proceso maduracional está obviamente relacionado con el desarrollo cognitivo ya que habrá aprendizajes que no se podrán llevar a cabo hasta que las zonas cerebrales relacionadas con ellos tengan la madurez suficiente para que estos se puedan alcanzar. Ahora bien, con relación al aprendizaje de las matemáticas se han realizado estudios tanto en niños normales como en discalcúlicos y se han establecido dos áreas cerebrales relacionadas con éste: las áreas parietales y la región prefrontal. Más aún, se ha podido relacionar aspectos específicos de las matemáticas a regiones específicas. Estas relaciones se esbozan a continuación.

Áreas cerebrales involucradas en el procesamiento numérico Se han argumentado dos posibilidades de procesamiento del número; una de tipo simbólico y otra de tipo no-simbólico. Se sabe desde hace tiempo que el surco intraparietal bilateral (IPS) forma parte de una red cerebral importante para el procesamiento numérico simbólico. Estudios más recientes, como el de Cantlon y sus colaboradores (7) , sugieren que el surco intraparietal bilateral también participa en el procesamiento numérico no-simbólico en niños de 4 años de edad sin problemas de aprendizaje. Estos hallazgos apoyan la hipótesis de que el IPS es el fundamento ontogénico del procesamiento no-simbólico y sirve como base sobre la que se construye el procesamiento simbólico. Sin embargo, aún no se ha podido definir si la función del IPS es realmente específica para el procesamiento de los números, o juega un rol más general en el procesamiento de magnitudes. Más aún, se ha relacionado al procesamiento simbólico con un circuito frontal inferior izquierdo que también es utilizado para generar asociaciones entre palabras en tanto que se considera que el procesamiento no simbólico depende de una representación de cantidad implementada en redes visoespaciales el lóbulo parietal bilateral (12). Existe debate acerca de la posible disociación a nivel de los sustratos neuronales para los procesos de subitización y de conteo. Por un lado, se ha propuesto que son dos procesos de naturaleza cognitiva y neurológica distintas (20; 32), y por el otro, se ha argumentado que son dos operaciones de la misma naturaleza y que su diferencia estriba en el grado de dificultad involucrado (3; 25). En su estudio pionero sobre la discriminación visual de número, Kaufman y sus colaboradores (20) consideran que subitizar y contar son dos procesos muy distintos. Por un lado, contar permite a la persona determinar la propiedad de numerosidad de un conjunto, dando una respuesta verbal serial por cada objeto dentro del grupo. En tanto que al subitizar la persona sólo da una respuesta por el grupo entero de objetos. Más aún, dentro de esta misma postura, subitizar y contar difieren en la naturaleza de los procesos atencionales que se requieren para su ejecución. Mientras que subitizar requiere de un proceso preatencional rápido y exacto, pero de capacidad limitada, contar es un proceso atencional, más lento y inexacto, pero que abarca un rango mayor de cantidades(33).

Tópicos en Ciencias Biológicas.

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Como evidencia a favor de que subitizar y contar son un mismo proceso cuya diferencia está en el grado de dificultad, Piazza y sus colaboradores (25), en un estudio utilizando PET, encontraron un patrón de activación en las áreas bilaterales medias occipital y parietal. La intensidad y extensión espacial de la activación aumentó con el número de objetos en el arreglo visual presentado, alcanzando su punto más alto cuando se presentaron de 6-9 puntos distribuidos al azar. También aumento la activación en la corteza extraestriada media/inferior occipital cuando se contaban de 6-9 puntos comparando con contar 1-4 puntos. Es decir fue evidente una red de áreas, incluyendo la extraestriada medial occipital y la intraparietal posterior, más activas en la subitización que en la línea base, y más activas al contar que al subitizar. Lo anterior sugiere que subitización y conteo apelan un mecanismo neuronal común.

Especialización hemisférica en los procesos de cuantificación Al investigar una posible especialización hemisférica en los procesos de cuantificación, Pasini y Tessari (24) llevaron a cabo un experimento en el que compararon los tiempos de respuesta ante estímulos numéricos del 1 al 5 (grupos de puntos o dígitos) mientras éstos aparecían en el campo visual derecho o izquierdo, y encontraron que el desempeño fue ligeramente mejor cuando al patrón de puntos era presentado en el campo visual izquierdo. En la segunda parte del experimento, los sujetos tuvieron que comparar grupos aleatorios de puntos dentro de los rangos de subitización (2, 3, 4) y de conteo (6, 7, 8). Se observó que los tiempos de respuesta fueron más rápidos en el rango de subitización que en el de conteo, y que la comparación en el rango de conteo fue más rápida cuando los estímulos fueron presentados en el campo visual derecho, mientras que en el rango de subitización sólo se observó una muy pequeña ventaja del campo visual izquierdo. Los autores concluyen que estos resultados sugieren una posible especialización del hemisferio derecho para subitizar, y una especialización más marcada del hemisferio izquierdo para el rango de conteo. Sin duda, Dehaene es uno de los principales estudiosos de los sustratos cerebrales involucrados en el desarrollo de las habilidades numéricas. En uno de sus estudios Dehaene, Molko, Cohen y Wilson (10) señalan que las regiones cerebrales relacionadas con el procesamiento de la cantidad, incluyendo el surco intraparietal, están presentes de manera temprana en la evolución, están bajo control genético parcial, y juegan un papel significativo en el desarrollo numérico temprano, al grado de que su desorganización puede crear dificultades aritméticas a lo largo de la vida.

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Circuitos parietales para el procesamiento de número Modelo del triple código para el procesamiento numérico Este modelo, desarrollado por Dehaene y sus colaboradores (8-11), predice que, de acuerdo a la tarea numérica, se puede hacer llamado a una de las siguientes representaciones: • Sistema de cantidad. Es una representación semántica no verbal de las relaciones de tamaño y distancia entre números. Diversos estudios sugieren que el surco intraparietal horizontal (HIPS) es esencial para esta representación, que es la base de la “intuición numérica” que permite el entendimiento inmediato de donde cae una cantidad con respecto a otras, y si es apropiada en un contexto determinado. • Sistema verbal. En este sistema, los numerales son representados léxicamente, fonológicamente y sintáxicamente, como cualquier otro tipo de palabra. En este proceso interviene principalmente el giro angular izquierdo, que parece tener la función de recuperar datos almacenados en la memoria verbal (como las tablas de multiplicar), pero no participa en otras tareas numéricas que requieren de una representación cuantitativa y que parecen llevarse a cabo en el surco intraparietal. • Sistema visual. En él, los números son codificados como cadenas de numerales arábigos. En este sistema parece estar involucrada un área bilateral del lóbulo parietal posterior superior (PSPL). Está zona, que también participa en la atención espacial y la orientación de los ojos, se activa al contar, cuando los sujetos atienden secuencialmente a objetos enumerados.

Estudios realizados en discalcúlicos El modelo del déficit en el procesamiento numérico (6) se ve apoyado por estudios con resonancia magnética funcional (fMRI) en los que se ha observado que los niños con discalculia presentan una activación atípica en el surco intraparietal derecho mientras llevan a cabo una tarea de procesamiento de magnitud numérica no simbólica, comparados con niños normales (26). Los autores sugieren que estos resultados pueden deberse a una representación parietal de la magnitud numérica debilitada, y/o a una habilidad reducida para acceder y manipular cantidades numéricas. Resultados similares fueron observados por Soltész y sus colaboradores (31) al analizar potenciales relacionados a eventos (ERP) en adolescentes con discalculia mientras llevaban a cabo una tarea de comparación de dígitos arábigos. Al compararlos con un grupo control, observaron que los ERP tempranos fueron similares en ambos grupos, pero entre 400 y 440 ms había un efecto de distancia parietal derecho focalizado en el grupo control. Esto sugiere que el procesamiento inicial automático de los dígitos fue similar en ambos grupos, pero el grupo con discalculia tiene diferencias en el procesamiento controlado más complejo.

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CONCLUSIÓN Con relación a las bases neurológicas del cálculo y de las discalculias infantiles, se han reconocido dos circuitos, uno de ellos posterior que involucra principalmente las regiones parietales y otro anterior, relacionado con las funciones ejecutivas y que comprende las áreas prefrontales. Asimismo se ha señalado un rol diferenciado entre los hemisferios cerebrales. Las áreas centrales izquierdas que rodean la cisura de Sylvio están implicadas en el tratamiento de los números y de sus diferentes transcodificaciones. En ellas se reconoce una conectividad que permite observar una disociación entre la lectura de palabras (estructuras temporales inferiores) y la evocación de los nombres de los números y de los objetos (giro parietal postero-inferior) (Van Hout, 2005). Las áreas prefrontales (función ejecutiva) incluyendo el circuito cortico-estriado, están más involucradas en la automatización de los hechos aritméticos (Ej.: tablas de multiplicar).

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