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Girificación

La girificación es el proceso por el cual se forman los pliegues que son característicos de la corteza cerebral.[1]​ Las partes más elevadas de estos pliegues reciben el nombre de giros, y las partes más deprimidas reciben el nombre de surcos. Las neuronas de la corteza cerebral se encuentran en una capa muy delgada llamada materia gris, de solo entre 2 y 4 mm de grosor, en la superficie del cerebro.[2]​ Gran parte del volumen del interior lo ocupa la materia blanca, la cual está formada por proyecciones axonales de gran tamaño que van desde y hasta las neuronas de la corteza que se encuentran cerca de la superficie. La girificación permite que la superficie de la corteza tenga una área más grande y que, por lo tanto, que quepa más funcionalidad cognitiva dentro de un cráneo más pequeño. La girificación comienza durante el desarrollo fetal en la mayor parte de los mamíferos. A excepción de algunas especies, los primates, los cetáceos y los ungulados tienen una gran cantidad de giros cerebrales, mientras que los roedores no tienen ninguna por lo general. En algunos animales, como por ejemplo en el hurón, la girificación no se detiene tras el parto.[3]

La girificación en el cerebro humano.
Giros (gyrus) y surco (sulcus).

La girificación durante el desarrollo del cerebro humano

 
Desarrollo de la corteza cerebral humana.

A medida que avanza el desarrollo fetal, la formación de hendiduras cada vez más profundas dan forma a los giros y a los surcos en la superficie de la corteza. No todos los giros se empiezan a desarrollar al mismo tiempo, sino que los giros cerebrales primarios se forman primero (en los seres humanos, se empiezan a formar a partir de la décima semana de gestación) y, más tarde, se forman los giros secundarios y terciarios.[4]​ Uno de los surcos principales y más prominentes es el surco lateral (también conocido como fisura lateral o cisura de Silvio), y también es importante el surco central, el cual separa la corteza motora (giro precentral) de la corteza somatosensorial (giro postcentral).[5]​ La mayor parte de los surcos y de los giros cerebrales se empiezan a formar entre las semanas 24 y 38 de la gestación, y siguen haciéndose más grandes y madurando tras el nacimiento.

Ventajas evolutivas

Se cree que una ventaja de la girificación es el aumento de la velocidad en la comunicación de las células neuronales, ya que gracias a los pliegues cerebrales las células están más cerca unas de las otras, y la transmisión de los impulsos eléctricos neuronales, llamados potenciales de acción, requieren menos tiempo y energía.[6]​ Existe evidencia que señala que cuando la girificación es mayor se produce una mayor velocidad de procesamiento de la información cognitiva, así como una mejor memoria de trabajo verbal.[7]​ Además, ya que para un cráneo más grande hace falta una pelvis más grande durante el parto, lo cual supone dificultades en la bipedestación, es más fácil dar a luz si el cráneo es más pequeño.[8][9]

Teorías sobre la causa de la girificación

Deformación debida a un proceso mecánico

Aún no se comprenden bien los mecanismos que producen la girificación de la corteza cerebral, y en la literatura científica se proponen varias hipótesis. Una hipótesis popular que apareció por primera vez en la época de Retzius a finales del siglo XIX afirma que las fuerzas de deformación mecánica que se producen debido a la expansión del tejido cerebral son las que hacen que la superficie de la corteza se doble.[10]​ Desde aquella, una gran cantidad de teorías han estado vinculadas indirectamente a esta hipótesis.

Se cree que la girificación no se debe a la restricción externa del crecimiento del cráneo, ya que el primordio del cráneo todavía no se ha osificado (no se ha endurecido hasta convertirse en hueso mediante el proceso de calcificación) durante el periodo de desarrollo del cerebro del feto. El tejido que cubre la corteza cerebral embrionaria se compone de varias capas finas de ectodermo (que se convertirán en piel en el futuro) y de tejido mesenquimal (que se convertirá en músculo y en tejido conjuntivo en el futuro, incluyendo el cráneo). Estas capas finas crecen durante la expansión de la corteza pero, posteriormente, el tejido mesenquimal del cerebro se convertirá en cartílago; y la osificación de las placas craneales no se produce hasta una fase posterior en el desarrollo. Tras el nacimiento, el cráneo humano sigue creciendo de forma sustancial, junto con el cerebro, hasta la fusión de las placas craneales varios años más tarde. Además, existen estudios experimentales en animales que han revelado que los pliegues de la corteza pueden ocurrir incluso sin restricciones externas.[11]​ Por tanto, se cree que es el crecimiento del cerebro lo que impulsa el crecimiento del cráneo; hoy se cree que los impulsores de la girificación más importantes son los factores mecánicos y genéticos que se producen en el cerebro.[6]​ El único papel constatado del cráneo en la girificación es el aplanamiento de los giros durante la maduración del cerebro tras la fusión de las placas craneales.[11]

Tensión axonal

Existe una teoría alternativa, la cual afirma que lo que produce los pliegues son las fuerzas de tensión axonal entre áreas de la corteza extremadamente interconectadas, por lo que distintas áreas corticales en una zona se atraen unas a las otras.[12]​ Hay evidencias que apoyan esta hipótesis. Por ejemplo, los axones en las áreas del cerebro con altos niveles de girificación son rectos, cortos y conectan las paredes de los giros. Sin embargo, no se puede demostrar que esto sea lo que causa o que es resultado del plegado cortical. A pesar de que puede que estas conexiones cortas se produzcan debido a axones tirando de las paredes de los giros en formación, también puede ser que los axones se mantengan cortos de forma adaptable debido a patrones de crecimiento mecánicos.[6]​ Además, un estudio mostró que se puede inducir la girificación de forma experimental en los embriones de ratones, pero tiene que ser durante las etapas tempranas, cuando aún no se formaron las conexiones axonales.[13]

Expansión tangencial diferencial

Más recientemente, apareció la teoría de la expansión tangencial diferencial, la cual afirma que los patrones de pliegue del cerebro se producen debido a que la expansión tangencial ocurre a ritmos diferentes entre distintas áreas de la corteza cerebral.[14]​ Esto puede ser debido a las diferencias de área en las tasas de división temprana de los progenitores.

Factores mecánicos

Grosor de la corteza

Las condiciones tempranas del cerebro tienen una gran influencia en el nivel de girificación que se alcanzarán. En concreto, existe una relación inversa entre el grosor de la corteza y la girificación. Aquellas áreas del cerebro donde hay menos grosor son las que tienen una mayor girificación, y viceversa.[6]

Velocidad de crecimiento

Existe cierto desacuerdo sobre a qué ritmo de crecimiento se desarrollan las capas de la corteza y de debajo de la corteza del cerebro. El modelo de crecimiento completamente isotrópico propone que las capas de materia gris (envoltura exterior) y blanca (núcleo interior) crecen a ritmos distintos, pero que son uniformes en todas las dimensiones. El modelo de crecimiento tangencial propone que la materia gris crece a un ritmo más rápido que la materia blanca del interior, y que el ritmo de crecimiento de la materia gris es el que determina el ritmo de crecimiento de la materia blanca. A pesar de que los dos métodos son diferenciales, y de que los dos dicen que la corteza crece más rápidamente que las capas inferiores, es el modelo de crecimiento tangencial el que se considera que es más correcto.[6]

Los pliegues en la superficie del cerebro se forman debido a la inestabilidad, y en los modelos de crecimiento tangencial se obtiene más a menudo que en los modelos isotrópicos el nivel de inestabilidad que producen los pliegues. A este nivel de inestabilidad se le llama punto crítico, en el cual los modelos prefieren liberar energía potencial perdiendo estabilidad y formando pliegues para adquirir más estabilidad.[6]

Factores genéticos

El patrón de giros y de surcos en la corteza no se produce al azar, ya que la mayor parte de las convoluciones de gran tamaño que se mantienen entre individuos distintos también se mantienen entre especies distintas. Esto puede indicar que los mecanismos genéticos pueden determinar la ubicación de los giros más importantes. Esta idea está respaldada por estudios de gemelos monocigóticos y dicigóticos de finales de la década de 1990,[15]​ sobre todo con respecto a los giros y surcos primarios, ya que en los giros secundarios y terciarios suele haber más variabilidad entre gemelos.[16]​ Por lo tanto, se puede especular que los pliegues secundarios y terciarios dependen en mayor medida de factores ambientales y genéticos.[17]​ El gen Trnp1 fue el primero que se descubrió que tenía influencia en el proceso de girificación.[18]​ La posición en el cerebro humano de los pliegues/giros que se están desarrollando puede estar determinada por los niveles de expresión local del Trnp1.[18][19][20]​ En la girificación pueden contribuir genes que influyen en las dinámicas de los progenitores en la corteza, en la neurogénesis y en la migración neuronal, así como genes que influyen en el desarrollo de circuitos en la corteza y en las proyecciones axonales. El Trnp1 es un factor de unión al ADN que se ha comprobado que regula otros genes que regulan la proliferación de las células progenitoras de la corteza - y por tanto actúa como un gen regulador maestro.[6][18]​ Además, se ha demostrado hace poco que las vías de señalización de factor de crecimiento de fibroblastos (FCF)- y de Sonic hedgehog (SHH)-son capaces de producir pliegues en la corteza, con todas las capas que los forman, en ratones que viven hasta la edad adulta.[13][21]​ Estos factores FCF y Shh regulan la proliferación de las células madre de la corteza y las dinámicas de la neurogénesis. La existencia de niveles apropiados de muerte celular de los progenitores en la corteza, y la catenina beta (parte de la vía de señalización WNT), también influyen.[22][23]

Factores determinantes biológicos celulares

Las células madre de la corteza, llamadas células radiales gliales (CRG), se encuentran en la zona ventricular y generan las neuronas glutamatérgicas excitatorias de la corteza cerebral.[24][25]​ Estas células se propagan rápidamente renovándose a sí mismas durante las etapas tempranas del desarrollo, expandiendo así la reserva de progenitores y aumentando el área de la superficie de la corteza. Durante esta etapa, el patrón de las áreas de la corteza cerebral está programado genéticamente mediante un sistema de centros de señalización mediante el proceso de modelado de la corteza, y al mapa primordial de las áreas funcionales de la corteza durante esta etapa se le llama 'protomapa'.[26]​ La neurogénesis en la corteza comienza a mermar la reserva de células progenitoras, sujeta a las reservas de muchas señales genéticas como los factores de crecimiento de fibroblastos (FCF) y la proteína Notch.[27]​ Las CRG generan precursores neuronales intermedios que se continúan dividiendo en la zona subventricular (ZSV), aumentando el número de neuronas que se producen en la corteza.[28]​ Las fibras de CRG son muy largas y se extienden desde la corteza en desarrollo hasta la superficie de la piamadre del cerebro, y sirven como guías físicas para las migraciones neuronales.[29]​ Existe un segundo tipo de las CRG, llamadas CRG basales (CRGb), que forman una tercera reserva de progenitores en la zona subventricular exterior.[30]​ Las CRG basales en general son mucho más abundantes en los mamíferos superiores. Tanto las CRG clásicas y las CRGb representan señales guía que conducen a las neuronas recién nacidas a su destino en la corteza cerebral. Cuando la cantidad de CRGb aumenta, también aumenta la densidad de las fibras guía y, en el caso contrario, se formaría un arreglo desperdigado en el cual se perdería densidad de fibras.[31]​ Existe cierta bibliografía científica que indica que hay diferencias entre especies de mamíferos en las dinámicas de propagación y diferenciación neuronal en cada una de estas zonas de progenitores, y dichas diferencias podrían explicar por qué el tamaño de la corteza y la girificación en los mamíferos son tan diferentes entre especies. Se ha planteado la idea de que algunas células progenitoras generan una gran cantidad de neuronas que se dirigen hacia las capas exteriores de la corteza, lo que causa un aumento mayor del área de la superficie en las capas exteriores, en comparación con las capas interiores de la corteza.[31]​ Todavía no está claro cómo podría ser esto posible sin más elementos mecánicos.[32][33]

Variación entre especies

Para medir la cantidad de circunvoluciones en la superficie de los cerebros de los mamíferos se utiliza el 'índice de girificación' (IG).[34][35]​ En los cerebros de los reptiles y de las aves no hay girificación. Aquellos mamíferos que tienen un IG elevado, suelen ser más grandes que aquellos con un IG más pequeño; por ejemplo, las ballenas piloto y los delfines nariz de botella tienen IGs mayores. Sin embargo, el cerebro humano muestra un IG similar al de un caballo, a pesar de ser más grande que este. Los roedores son los que tienen en general un IG más bajo. A pesar de todo, hay algunos roedores que tienen muchos giros en el cerebro y hay algunas especies de primates cuyo cerebro es bastante liso.[36]
Mota y Herculano-Houzel encontraron una relación lineal en mamíferos expresada en términos de girificación. [37]​ Propusieron un modelo que combina distintas medidas morfométricas (grosor del córtex, área expuesta y área total) que podría ser una forma de describir la girificación.

Enfermedades neurológicas relacionadas con la girificación

Lisencefalia

A una corteza cerebral que no tenga pliegues en la superficie se le llama lisencefálica, palabra que significa 'de cerebro liso'.[38]​ A principios del desarrollo embrionario, los cerebros de todos los mamíferos son estructuras lisencefálicas que proceden del tubo neural. Algunos, como los cerebros de los ratones, permanecen lisencefálicos a lo largo de toda la edad adulta. Se ha demostrado que las especies lisencefálicas poseen muchas de las señales moleculares necesarias para formar giros en la corteza, pero no lo hacen debido a que hay una gran cantidad de genes que están implicados en la regulación de la proliferación de progenitores neurales y procesos neurógenos que son la base de la girificación. Una hipótesis dice que las diferencias espaciotemporales en estas vías moleculares, entre las que se encuentran el FCF, el Shh y el Trnp1, y probablemente muchas otras, son las que determinan el ritmo de la girificación y su alcance en distintas especies.[18][21]

La lisencefalia es un estado patológico humano y, en aquellos seres humanos que lo padecen, una gran porción de neuronas son incapaces de llegar hasta la corteza externa durante la migración neuronal, y se quedan bajo la placa cortical.[39]​ Este movimiento no solo produce defectos en las conexiones de la corteza, sino también una corteza más gruesa, lo cual es consistente con la idea de que aquellos cerebros que tengan una corteza más gruesa sufrirán una girificación menor.[40]

Polimicrogiria

La polimicrogiria es una enfermedad en la cual el cerebro tiene una corteza con demasiadas convoluciones. A pesar de que parece que la superficie del cerebro es lisa y que tiene pocos surcos, en su interior existe una estructura compleja con un número de pliegues secundarios y terciarios enorme.[40]​ Al utilizar IRM para obtener imágenes del cerebro, se puede observar que los cerebros con polimicrogiria tienen una corteza más fina, lo cual es consistente con la idea de que aquellos cerebros que tengan una corteza más fina sufrirán una girificación mayor.[39][40]​ Se ha constatado que una amplia gama de genes, cuando mutan, causan polimicrogiria en seres humanos, que van desde enfermedades relacionadas con la proteína mTOR (por ejemplo, AKT3) hasta canalopatías (canales de sodio, "SCN3A").[41]

Autismo

Los pacientes que sufren autismo por lo general tienen un nivel de girificación mayor en sus cerebros,[42]​ pero solo en los lóbulos temporal, parietal y occipital, así como en parte de la corteza cingulada.[43]​ Se ha determinado que la presencia de niveles de girificación elevados está correlacionada con una conectividad local más grande en cerebros autistas, lo cual es un indicativo de hiperconectividad.

Se ha identificado el Trnp1, que también se ha usado para inducir la girificación en modelos de animales, en pacientes con enfermedades del espectro autista, lo cual indica que el Trnp1 cumple un papel molecular en el autismo.[44]

Se ha determinado que, desde durante las primeras etapas de desarrollo del cerebro, los pliegues de los cerebros humanos con autismo no se encuentran en la misma posición que los de un cerebro sano, sino que han cambiado ligeramente de sitio. Más concretamente, existen patrones diferentes en el surco frontal superior, en la cisura de Silvio, en el giro frontal inferior, en el giro temporal superior y en el surco olfatorio.[45]​ Estas áreas están relacionadas con la memoria de trabajo, el procesamiento de emociones, el lenguaje y el contacto visual,[46]​ y sus diferencias en comparación con un cerebro humano sano en su posición y en su grado de girificación podrían explicar algunas de las alteraciones del comportamiento en pacientes autistas.

Esquizofrenia

La esquizofrenia, una enfermedad que está más extendida, también está correlacionada con anomalías estructurales en el cerebro. Al igual que en los cerebros autistas, los cerebros esquizofrénicos tienen menos grosor de la corteza y más girificación que un cerebro sano.[39][47]

Malformaciones debidas al virus del Zika

Debido a la infección durante el embarazo, el virus del Zika produce malformaciones en la corteza, que en general se clasifican como microcefalia, palabra que significa 'cerebro pequeño'. No es extraño que se produzcan cambios en la girificación, debido a la gran pérdida de volumen de la corteza cerebral durante la microcefalia. Sin embargo, existen estudios recientes sobre el mecanismo de las malformaciones debidas al Zika que indican que las deformidades más importantes se deben a la infección y muerte celular de las CRG.[48][49]​ La muerte de las células madre de la corteza produce la pérdida de todas las células hijas que producirían, y el alcance de las malformaciones depende por tanto del momento de la infección, así como de su gravedad, durante el periodo de proliferación y neurogénesis de las células madre neuronales. Por lo general, la existencia de infecciones previas provoca malformaciones más graves.[50][51]​ La microcefalia y las malformaciones de la girificación son permanentes y no existe tratamiento para curarlas.

Métodos para medir la girificación

Se puede medir la girificación de la corteza mediante el Índice de Girificación (IG),[52]​ la Dimensionalidad Fractal[53]​ y mediante una combinación de valores morfométricos (área, grosor, volumen).[37]​ El IG se define como el cociente entre el Área Total y el Área Expuesta ("perímetro del cerebro delimitado en secciones frontales bidimensionales"). [54]​ Una herramienta muy útil para medir el IG es FreeSurfer, un programa de reconstrucción de superficies.[55]

Imágenes adicionales

Referencias

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Enlaces externos

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La girificacion es el proceso por el cual se forman los pliegues que son caracteristicos de la corteza cerebral 1 Las partes mas elevadas de estos pliegues reciben el nombre de giros y las partes mas deprimidas reciben el nombre de surcos Las neuronas de la corteza cerebral se encuentran en una capa muy delgada llamada materia gris de solo entre 2 y 4 mm de grosor en la superficie del cerebro 2 Gran parte del volumen del interior lo ocupa la materia blanca la cual esta formada por proyecciones axonales de gran tamano que van desde y hasta las neuronas de la corteza que se encuentran cerca de la superficie La girificacion permite que la superficie de la corteza tenga una area mas grande y que por lo tanto que quepa mas funcionalidad cognitiva dentro de un craneo mas pequeno La girificacion comienza durante el desarrollo fetal en la mayor parte de los mamiferos A excepcion de algunas especies los primates los cetaceos y los ungulados tienen una gran cantidad de giros cerebrales mientras que los roedores no tienen ninguna por lo general En algunos animales como por ejemplo en el huron la girificacion no se detiene tras el parto 3 La girificacion en el cerebro humano Giros gyrus y surco sulcus Indice 1 La girificacion durante el desarrollo del cerebro humano 2 Ventajas evolutivas 3 Teorias sobre la causa de la girificacion 3 1 Deformacion debida a un proceso mecanico 3 2 Tension axonal 3 3 Expansion tangencial diferencial 4 Factores mecanicos 4 1 Grosor de la corteza 4 2 Velocidad de crecimiento 5 Factores geneticos 6 Factores determinantes biologicos celulares 7 Variacion entre especies 8 Enfermedades neurologicas relacionadas con la girificacion 8 1 Lisencefalia 8 2 Polimicrogiria 8 3 Autismo 8 4 Esquizofrenia 8 5 Malformaciones debidas al virus del Zika 9 Metodos para medir la girificacion 10 Imagenes adicionales 11 Referencias 12 Enlaces externosLa girificacion durante el desarrollo del cerebro humano Editar Desarrollo de la corteza cerebral humana A medida que avanza el desarrollo fetal la formacion de hendiduras cada vez mas profundas dan forma a los giros y a los surcos en la superficie de la corteza No todos los giros se empiezan a desarrollar al mismo tiempo sino que los giros cerebrales primarios se forman primero en los seres humanos se empiezan a formar a partir de la decima semana de gestacion y mas tarde se forman los giros secundarios y terciarios 4 Uno de los surcos principales y mas prominentes es el surco lateral tambien conocido como fisura lateral o cisura de Silvio y tambien es importante el surco central el cual separa la corteza motora giro precentral de la corteza somatosensorial giro postcentral 5 La mayor parte de los surcos y de los giros cerebrales se empiezan a formar entre las semanas 24 y 38 de la gestacion y siguen haciendose mas grandes y madurando tras el nacimiento Ventajas evolutivas EditarSe cree que una ventaja de la girificacion es el aumento de la velocidad en la comunicacion de las celulas neuronales ya que gracias a los pliegues cerebrales las celulas estan mas cerca unas de las otras y la transmision de los impulsos electricos neuronales llamados potenciales de accion requieren menos tiempo y energia 6 Existe evidencia que senala que cuando la girificacion es mayor se produce una mayor velocidad de procesamiento de la informacion cognitiva asi como una mejor memoria de trabajo verbal 7 Ademas ya que para un craneo mas grande hace falta una pelvis mas grande durante el parto lo cual supone dificultades en la bipedestacion es mas facil dar a luz si el craneo es mas pequeno 8 9 Teorias sobre la causa de la girificacion EditarDeformacion debida a un proceso mecanico Editar Aun no se comprenden bien los mecanismos que producen la girificacion de la corteza cerebral y en la literatura cientifica se proponen varias hipotesis Una hipotesis popular que aparecio por primera vez en la epoca de Retzius a finales del siglo XIX afirma que las fuerzas de deformacion mecanica que se producen debido a la expansion del tejido cerebral son las que hacen que la superficie de la corteza se doble 10 Desde aquella una gran cantidad de teorias han estado vinculadas indirectamente a esta hipotesis Se cree que la girificacion no se debe a la restriccion externa del crecimiento del craneo ya que el primordio del craneo todavia no se ha osificado no se ha endurecido hasta convertirse en hueso mediante el proceso de calcificacion durante el periodo de desarrollo del cerebro del feto El tejido que cubre la corteza cerebral embrionaria se compone de varias capas finas de ectodermo que se convertiran en piel en el futuro y de tejido mesenquimal que se convertira en musculo y en tejido conjuntivo en el futuro incluyendo el craneo Estas capas finas crecen durante la expansion de la corteza pero posteriormente el tejido mesenquimal del cerebro se convertira en cartilago y la osificacion de las placas craneales no se produce hasta una fase posterior en el desarrollo Tras el nacimiento el craneo humano sigue creciendo de forma sustancial junto con el cerebro hasta la fusion de las placas craneales varios anos mas tarde Ademas existen estudios experimentales en animales que han revelado que los pliegues de la corteza pueden ocurrir incluso sin restricciones externas 11 Por tanto se cree que es el crecimiento del cerebro lo que impulsa el crecimiento del craneo hoy se cree que los impulsores de la girificacion mas importantes son los factores mecanicos y geneticos que se producen en el cerebro 6 El unico papel constatado del craneo en la girificacion es el aplanamiento de los giros durante la maduracion del cerebro tras la fusion de las placas craneales 11 Tension axonal Editar Existe una teoria alternativa la cual afirma que lo que produce los pliegues son las fuerzas de tension axonal entre areas de la corteza extremadamente interconectadas por lo que distintas areas corticales en una zona se atraen unas a las otras 12 Hay evidencias que apoyan esta hipotesis Por ejemplo los axones en las areas del cerebro con altos niveles de girificacion son rectos cortos y conectan las paredes de los giros Sin embargo no se puede demostrar que esto sea lo que causa o que es resultado del plegado cortical A pesar de que puede que estas conexiones cortas se produzcan debido a axones tirando de las paredes de los giros en formacion tambien puede ser que los axones se mantengan cortos de forma adaptable debido a patrones de crecimiento mecanicos 6 Ademas un estudio mostro que se puede inducir la girificacion de forma experimental en los embriones de ratones pero tiene que ser durante las etapas tempranas cuando aun no se formaron las conexiones axonales 13 Expansion tangencial diferencial Editar Mas recientemente aparecio la teoria de la expansion tangencial diferencial la cual afirma que los patrones de pliegue del cerebro se producen debido a que la expansion tangencial ocurre a ritmos diferentes entre distintas areas de la corteza cerebral 14 Esto puede ser debido a las diferencias de area en las tasas de division temprana de los progenitores Factores mecanicos EditarGrosor de la corteza Editar Las condiciones tempranas del cerebro tienen una gran influencia en el nivel de girificacion que se alcanzaran En concreto existe una relacion inversa entre el grosor de la corteza y la girificacion Aquellas areas del cerebro donde hay menos grosor son las que tienen una mayor girificacion y viceversa 6 Velocidad de crecimiento Editar Existe cierto desacuerdo sobre a que ritmo de crecimiento se desarrollan las capas de la corteza y de debajo de la corteza del cerebro El modelo de crecimiento completamente isotropico propone que las capas de materia gris envoltura exterior y blanca nucleo interior crecen a ritmos distintos pero que son uniformes en todas las dimensiones El modelo de crecimiento tangencial propone que la materia gris crece a un ritmo mas rapido que la materia blanca del interior y que el ritmo de crecimiento de la materia gris es el que determina el ritmo de crecimiento de la materia blanca A pesar de que los dos metodos son diferenciales y de que los dos dicen que la corteza crece mas rapidamente que las capas inferiores es el modelo de crecimiento tangencial el que se considera que es mas correcto 6 Los pliegues en la superficie del cerebro se forman debido a la inestabilidad y en los modelos de crecimiento tangencial se obtiene mas a menudo que en los modelos isotropicos el nivel de inestabilidad que producen los pliegues A este nivel de inestabilidad se le llama punto critico en el cual los modelos prefieren liberar energia potencial perdiendo estabilidad y formando pliegues para adquirir mas estabilidad 6 Factores geneticos EditarEl patron de giros y de surcos en la corteza no se produce al azar ya que la mayor parte de las convoluciones de gran tamano que se mantienen entre individuos distintos tambien se mantienen entre especies distintas Esto puede indicar que los mecanismos geneticos pueden determinar la ubicacion de los giros mas importantes Esta idea esta respaldada por estudios de gemelos monocigoticos y dicigoticos de finales de la decada de 1990 15 sobre todo con respecto a los giros y surcos primarios ya que en los giros secundarios y terciarios suele haber mas variabilidad entre gemelos 16 Por lo tanto se puede especular que los pliegues secundarios y terciarios dependen en mayor medida de factores ambientales y geneticos 17 El gen Trnp1 fue el primero que se descubrio que tenia influencia en el proceso de girificacion 18 La posicion en el cerebro humano de los pliegues giros que se estan desarrollando puede estar determinada por los niveles de expresion local del Trnp1 18 19 20 En la girificacion pueden contribuir genes que influyen en las dinamicas de los progenitores en la corteza en la neurogenesis y en la migracion neuronal asi como genes que influyen en el desarrollo de circuitos en la corteza y en las proyecciones axonales El Trnp1 es un factor de union al ADN que se ha comprobado que regula otros genes que regulan la proliferacion de las celulas progenitoras de la corteza y por tanto actua como un gen regulador maestro 6 18 Ademas se ha demostrado hace poco que las vias de senalizacion de factor de crecimiento de fibroblastos FCF y de Sonic hedgehog SHH son capaces de producir pliegues en la corteza con todas las capas que los forman en ratones que viven hasta la edad adulta 13 21 Estos factores FCF y Shh regulan la proliferacion de las celulas madre de la corteza y las dinamicas de la neurogenesis La existencia de niveles apropiados de muerte celular de los progenitores en la corteza y la catenina beta parte de la via de senalizacion WNT tambien influyen 22 23 Factores determinantes biologicos celulares EditarLas celulas madre de la corteza llamadas celulas radiales gliales CRG se encuentran en la zona ventricular y generan las neuronas glutamatergicas excitatorias de la corteza cerebral 24 25 Estas celulas se propagan rapidamente renovandose a si mismas durante las etapas tempranas del desarrollo expandiendo asi la reserva de progenitores y aumentando el area de la superficie de la corteza Durante esta etapa el patron de las areas de la corteza cerebral esta programado geneticamente mediante un sistema de centros de senalizacion mediante el proceso de modelado de la corteza y al mapa primordial de las areas funcionales de la corteza durante esta etapa se le llama protomapa 26 La neurogenesis en la corteza comienza a mermar la reserva de celulas progenitoras sujeta a las reservas de muchas senales geneticas como los factores de crecimiento de fibroblastos FCF y la proteina Notch 27 Las CRG generan precursores neuronales intermedios que se continuan dividiendo en la zona subventricular ZSV aumentando el numero de neuronas que se producen en la corteza 28 Las fibras de CRG son muy largas y se extienden desde la corteza en desarrollo hasta la superficie de la piamadre del cerebro y sirven como guias fisicas para las migraciones neuronales 29 Existe un segundo tipo de las CRG llamadas CRG basales CRGb que forman una tercera reserva de progenitores en la zona subventricular exterior 30 Las CRG basales en general son mucho mas abundantes en los mamiferos superiores Tanto las CRG clasicas y las CRGb representan senales guia que conducen a las neuronas recien nacidas a su destino en la corteza cerebral Cuando la cantidad de CRGb aumenta tambien aumenta la densidad de las fibras guia y en el caso contrario se formaria un arreglo desperdigado en el cual se perderia densidad de fibras 31 Existe cierta bibliografia cientifica que indica que hay diferencias entre especies de mamiferos en las dinamicas de propagacion y diferenciacion neuronal en cada una de estas zonas de progenitores y dichas diferencias podrian explicar por que el tamano de la corteza y la girificacion en los mamiferos son tan diferentes entre especies Se ha planteado la idea de que algunas celulas progenitoras generan una gran cantidad de neuronas que se dirigen hacia las capas exteriores de la corteza lo que causa un aumento mayor del area de la superficie en las capas exteriores en comparacion con las capas interiores de la corteza 31 Todavia no esta claro como podria ser esto posible sin mas elementos mecanicos 32 33 Variacion entre especies EditarPara medir la cantidad de circunvoluciones en la superficie de los cerebros de los mamiferos se utiliza el indice de girificacion IG 34 35 En los cerebros de los reptiles y de las aves no hay girificacion Aquellos mamiferos que tienen un IG elevado suelen ser mas grandes que aquellos con un IG mas pequeno por ejemplo las ballenas piloto y los delfines nariz de botella tienen IGs mayores Sin embargo el cerebro humano muestra un IG similar al de un caballo a pesar de ser mas grande que este Los roedores son los que tienen en general un IG mas bajo A pesar de todo hay algunos roedores que tienen muchos giros en el cerebro y hay algunas especies de primates cuyo cerebro es bastante liso 36 Mota y Herculano Houzel encontraron una relacion lineal en mamiferos expresada en terminos de girificacion 37 Propusieron un modelo que combina distintas medidas morfometricas grosor del cortex area expuesta y area total que podria ser una forma de describir la girificacion Enfermedades neurologicas relacionadas con la girificacion EditarLisencefalia Editar A una corteza cerebral que no tenga pliegues en la superficie se le llama lisencefalica palabra que significa de cerebro liso 38 A principios del desarrollo embrionario los cerebros de todos los mamiferos son estructuras lisencefalicas que proceden del tubo neural Algunos como los cerebros de los ratones permanecen lisencefalicos a lo largo de toda la edad adulta Se ha demostrado que las especies lisencefalicas poseen muchas de las senales moleculares necesarias para formar giros en la corteza pero no lo hacen debido a que hay una gran cantidad de genes que estan implicados en la regulacion de la proliferacion de progenitores neurales y procesos neurogenos que son la base de la girificacion Una hipotesis dice que las diferencias espaciotemporales en estas vias moleculares entre las que se encuentran el FCF el Shh y el Trnp1 y probablemente muchas otras son las que determinan el ritmo de la girificacion y su alcance en distintas especies 18 21 La lisencefalia es un estado patologico humano y en aquellos seres humanos que lo padecen una gran porcion de neuronas son incapaces de llegar hasta la corteza externa durante la migracion neuronal y se quedan bajo la placa cortical 39 Este movimiento no solo produce defectos en las conexiones de la corteza sino tambien una corteza mas gruesa lo cual es consistente con la idea de que aquellos cerebros que tengan una corteza mas gruesa sufriran una girificacion menor 40 Polimicrogiria Editar La polimicrogiria es una enfermedad en la cual el cerebro tiene una corteza con demasiadas convoluciones A pesar de que parece que la superficie del cerebro es lisa y que tiene pocos surcos en su interior existe una estructura compleja con un numero de pliegues secundarios y terciarios enorme 40 Al utilizar IRM para obtener imagenes del cerebro se puede observar que los cerebros con polimicrogiria tienen una corteza mas fina lo cual es consistente con la idea de que aquellos cerebros que tengan una corteza mas fina sufriran una girificacion mayor 39 40 Se ha constatado que una amplia gama de genes cuando mutan causan polimicrogiria en seres humanos que van desde enfermedades relacionadas con la proteina mTOR por ejemplo AKT3 hasta canalopatias canales de sodio SCN3A 41 Autismo Editar Los pacientes que sufren autismo por lo general tienen un nivel de girificacion mayor en sus cerebros 42 pero solo en los lobulos temporal parietal y occipital asi como en parte de la corteza cingulada 43 Se ha determinado que la presencia de niveles de girificacion elevados esta correlacionada con una conectividad local mas grande en cerebros autistas lo cual es un indicativo de hiperconectividad Se ha identificado el Trnp1 que tambien se ha usado para inducir la girificacion en modelos de animales en pacientes con enfermedades del espectro autista lo cual indica que el Trnp1 cumple un papel molecular en el autismo 44 Se ha determinado que desde durante las primeras etapas de desarrollo del cerebro los pliegues de los cerebros humanos con autismo no se encuentran en la misma posicion que los de un cerebro sano sino que han cambiado ligeramente de sitio Mas concretamente existen patrones diferentes en el surco frontal superior en la cisura de Silvio en el giro frontal inferior en el giro temporal superior y en el surco olfatorio 45 Estas areas estan relacionadas con la memoria de trabajo el procesamiento de emociones el lenguaje y el contacto visual 46 y sus diferencias en comparacion con un cerebro humano sano en su posicion y en su grado de girificacion podrian explicar algunas de las alteraciones del comportamiento en pacientes autistas Esquizofrenia Editar La esquizofrenia una enfermedad que esta mas extendida tambien esta correlacionada con anomalias estructurales en el cerebro Al igual que en los cerebros autistas los cerebros esquizofrenicos tienen menos grosor de la corteza y mas girificacion que un cerebro sano 39 47 Malformaciones debidas al virus del Zika Editar Debido a la infeccion durante el embarazo el virus del Zika produce malformaciones en la corteza que en general se clasifican como microcefalia palabra que significa cerebro pequeno No es extrano que se produzcan cambios en la girificacion debido a la gran perdida de volumen de la corteza cerebral durante la microcefalia Sin embargo existen estudios recientes sobre el mecanismo de las malformaciones debidas al Zika que indican que las deformidades mas importantes se deben a la infeccion y muerte celular de las CRG 48 49 La muerte de las celulas madre de la corteza produce la perdida de todas las celulas hijas que producirian y el alcance de las malformaciones depende por tanto del momento de la infeccion asi como de su gravedad durante el periodo de proliferacion y neurogenesis de las celulas madre neuronales Por lo general la existencia de infecciones previas provoca malformaciones mas graves 50 51 La microcefalia y las malformaciones de la girificacion son permanentes y no existe tratamiento para curarlas Metodos para medir la girificacion EditarSe puede medir la girificacion de la corteza mediante el Indice de Girificacion IG 52 la Dimensionalidad Fractal 53 y mediante una combinacion de valores morfometricos area grosor volumen 37 El IG se define como el cociente entre el Area Total y el Area Expuesta perimetro del cerebro delimitado en secciones frontales bidimensionales 54 Una herramienta muy util para medir el IG es FreeSurfer un programa de reconstruccion de superficies 55 Imagenes adicionales Editar Distintos cerebros En sentido de las agujas del reloj empezando por arriba a la izquierda Macaco Rhesus adulto Raton adulto Humano durante la gestacion Humano recien nacido Humano adulto abajo izquierda Encefalo de un adulto humano normal en la izquierda polimicrogiria en el centro y lisencefalia a la derecha Referencias Editar Rakic P Octubre de 2009 Evolution of the neocortex a perspective from developmental biology Nature Reviews Neuroscience 10 10 724 35 PMC 2913577 PMID 19763105 doi 10 1038 nrn2719 Kandel Eric R Schwartz James H Jessell Thomas M Siegelbaum Steven A Hudspeth A J eds 2012 1981 Principles of Neural Science 5th edicion Nueva York McGraw Hill ISBN 978 0 07 139011 8 Smart IH McSherry GM Junio de 1986 Gyrus formation in the cerebral cortex in the ferret I Description of the external changes Journal of Anatomy 146 141 52 PMC 1166530 PMID 3693054 Rajagopalan V Scott J Habas PA Kim K Corbett Detig J Rousseau F Barkovich AJ Glenn OA et al 23 de febrero de 2011 Local tissue growth patterns underlying normal fetal human brain gyrification quantified in utero The Journal of Neuroscience 31 8 2878 87 PMC 3093305 PMID 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