Neurodesarrollo: De Blastocito a Infante

Bases Biológicas del Desarrollo Infantil. Ontogénesis del Sistema Nervioso Guillermo Rivera Arroyo, MD, PhD.

El desarrollo del Cerebro

“Life is a flame that is always burning itself out, but it catches fire again every time a child is born.”

George Bernard Shaw

fMRI procesamiento del habla en un infante

Capitulo 14: Páginas 392 - 401


Vision General

1.0 Introducción

2.0 Desarrollo prenatal: De blastocito a bebe.

3.0 El cerebro en desarrollo: cambio permanente

4.0 El desarrollo de la mente y el cerebro

5.0 Daño cerebral temprano y la plasticidad

6.0 Resumén


1.0 Introducción

Nuevas técnicas para investigar el cerebro en desarrollo

El campo de la neurociencia cognitiva del desarrollo es joven: el advenimiento de nuevas formas no invasivas para medir la actividad cerebral en los bebés y los niños ha revolucionado literalmente el estudio del desarrollo humano.

fMRI procesamiento del habla en infante imagen por resonancia magnética funcional


1.0 IntroducciónNuevas técnicas para investigar el desarrollo del cerebro

Nuevas tecnicas para procesar imagenes cerebrales nos permite valorar el crecimiento del cerebro durante la niñez – como la densidad de la materia gris y el grosor cortical


1.0 Introducción

El misterio del cerebro en desarrollo: viejas y nuevas preguntas

Una pregunta central en el desarrollo humanos es el peso e interacción de nurtura y natura en el desarrollo del cerebro. Un tema relacionado es en que grado el cerebro es flexible (o ‘plastico’) para adaptarse a nuevas situaciones y recuperarse del daño. Las técnicas de neuroimagen estan permitiendo investigar estas preguntas en nuevas y excitantes formas.


2.0 El Desarrollo Prenatal: de Blastocito a Bebe

Epigenesis

¿Nuesta carga genetica determina en quienes nos convertiremos? O nuestra experiencia moldea el quienes somos? Claramente, ambos, genes y el ambiente tienen un impacto en el desarrollo del cerebro.

Una pregunta central: la manifestacion de la expresion genética, seguida por el desarrollo de las estructuras cerebrales es afectada por la experiencia?

O la experiencia – el ambiente local, ya sea dentro de una celula, un sistema, o el cerebro en si – tienen un efecto en la expresion de los genes?



Natura y nurtura: Influencias bidireccionales en el desarrollo

Un abrodaje para entender los roles de la genetica y la exoperiencia en el desarrollo fue planteado por Gottlieb y Halpern (2002) quienes propusieron que existian influencas bidireccionales entre la expresion genica y el ambiente durante la epigenesis



La anatomía del desarrollo cerebral

Buena parte del temprano desarrollo cerebral ocurre en las primeras semanas que siguen a la fertilización.

Justo después de la concepción, una celula fertilizada (cigoto) pasa por un rapido proceso de división celular




Esto resulta en un grupo de celulas que proliferan llamadas blastula que se asemeja a unas uvas

En los mamiferos la blastulación da lugar al blastocisto. El blastocito tienen una mas de celulas internas y otra masa de celulas externas, llegando a las 70-100 celulas. El proximo paso del desarrollo sera la formación del embrión.




Después de unos pocos días, el blastocito se diferencia en una estructura de tres capas llamada disco embrionarioCada una de estas capas se diferenciara en un sistema organico mayor.

EL endodermo (capa interna) se convertira en los organos externos, el mesodermo (capa media) conformara las estructuras oseas y musculares, y el ectodermo (capa externa) desarrollara la superficie de la piel y el sistema nervioso.




El desarrollo del sistema nervioso comienza con un proceso. llamado neurulacion Una porción del ectoderno (capa externa) comienza a doblarse sobre si misma para formar un cilindro llamado tubo neural.

El tubo neural se diferencia a lo largo de tres dimensiones: largo, circunferencia, y radio.




El cerebro y la medula espinal se forman a partir del tubo neural. Cerebro anterior, medio y posterior.

SISTEMA NERVIOSO: DESARROLLO

• Se inicia a los 18 días después de la fertilización.

• En el huevo se diferencia:

Ectodermo: piel y S N

Mesodermo: músculos, tejidos conectivos y el sistema vascular

Endodermo: da origen a los huesos

• Durante la tercera semana de desarrollo, el ectodermo se engruesa para formar la placa neural.

• El engrosamiento se va hundiendo y plegándose sobre sí mismo y es lo que se llama SURCO NEURAL.

• 24 días: los pliegues neurales se unen y forman el tubo neural dentro del embrión.

• El factor genético y ambiental es esencial para la formación del tubo neural.

• Así mismo, factores dietéticos como el colesterol y el ácido fólico.

Prosencéfalo

Mesencéfalo

Romboencéfalo

Médula espinal

• 28 días, aparecen tres abultamientos en el tubo neural:

• 36 días: el prosencéfalo se divide en dos: el diencéfalo y telencéfalo. El romboencéfalo se divide en anterior y posterior.

ProsencéfaloProsencéfaloTelencéfalo cerebro

Diencéfalo• Hipocampo• Tálamo• Hipotálamo

MesencéfaloMesencéfalo Pedúnculos

RomboencéfaloRomboencéfaloAnterior • Protuberancia.

• Cerebelo.

Posterior Bulbo Raquídeo.

• 45 días: del telencéfalo se forma los hemisferios.

• 7 semanas: los hemisferios cerebrales crecen y se inicia la formación de surcos y circunvoluciones.

circunvoluciones

surco

3 meses:

• Hemisferios cerebrales claramente diferenciados

• Se aprecia la cisura de Silvio.

• Telencéfalo surge el Riencéfalo - Bulbo olfativo- Hipocampo- Sistema límbico.

• Se inicia la formación ventricular: 4 ventrículos (2 laterales, 1 medial y 1 posterior).

• El SN está distribuido por todo el cuerpo.

• Todos los órganos del cuerpo incluyen elementos nerviosos.



Zonas de proliferación

L vasta mayoria de las celulas que compondran el cerebro nacen en zonas de proliferación en el tubo neural.

Estas zonas estan cercana al centro concavo del tubo y posteriormente se convertiran en los ventriculos del cerebro



Migración neuronal

Una vez nacidas, las celulas jovenes-- neuronas – deben migrar de las zonas de proliferación a una zona en particular donde seran utilizadas en el cerebro maduro

Dos tipos de migración neuronal:

Desplazamiento celular pasivo donde las jovenes celulas simplemente son empujadas hacia adelante de la zona de proliferacón por las celulas recien nacidas



Migración neuronal

Dos tipos de migración neuronal: Desplazamiento celular pasivo

Patron dentro-afuera es una forma de migración activa e involucra a las celulas jovenes que se mueven sobre las previamente generadas para crear un patron de dentro-afuera. Este patron se encuentra en el cortex cerebral y en algunas areas subcorticales que tienen una estructura laminar (dos capas)



Migración neuronal

El ejemplo mejor estudiado de la migración neuronal activa viene del desarrollo prental del cortex cerebral y el modelo radial unitario propuesto por Pasko Rakic en 1988.

De acuerdo a este modelo, la organización laminar del cortex esta determinada por el hecho de que cada unidad relevante prolifera alrededor de 100 neuronas. La progenie de cada una de estas unidades migraran por la misma fibra radial glial, siendo que las mas nuevas pasaran por las mas viejas

Tras el cierre del tubo neural y la formación de las vesículas telencefálicas comienza otro proceso fundamental para el desarrollo de los hemisferios cerebrales y especialmente de la corteza: Migración Neuronal.Migración Neuronal.

• Se da entre 3er y 5to mes de gestación, termina hasta el fin del primer año de vida postnatal.

• Es el viaje que hace cada neurona al sitio donde debe estar para realizar las conexiones sinápticas.

• Es esencial durante el desarrollo del SNC.

• La interneuronas viajan desde el telencéfalo basal y migran tangencialmente hacia la corteza cerebral (Cerebro, cerebelo, tallo cerebral, la médula espinal, los ganglios raquídeos y otras conexiones con los órganos adecuados).

• Cuando una neurona migra es para conectarse con otra y esta debe ser precisa.

Defectos de la migración neuronal

CAUSAS CONSECUENCIAS

• Mala posición en la corteza cerebral y otros núcleos subcorticales

• Epilepsia, autismo, déficit de atención.

• Si en el 1er Trimestre del embarazo, la madre consume alcohol, taba-co, drogas o el plomo del ambiente.

• Desórdenes neuronales, retraso mental.

• La desnutrición.

• El cerebro del niño al nacer no corresponde a su edad y su peso es del 20% menos; por lo que altera su aprendi-zaje y su conducta.

• Defectos en la producción de las hormonas triyodoti-nonina (T3) y tiroxina (T4) debido a alteraciones en la glándula tiroidea o dieta pobre en yodo.

• Hipotiroidismo congénito o cretinismo endémico afec-tando la conectividad y la localización del algunas poblaciones neuronales de la corteza. El niño tiene lento aprendizaje, caminan cansados.

Defectos de la migración neuronal

CAUSAS CONSECUENCIAS



Natura y nurtura revisadas

El ambiente prenatal puede tener efectos de largo plazo, tanto buenos como malos, en el cerebro en desarrollo. El desarrollo del infante es suceptible a eventos que acontecen dentro su ambiente. Como la incursion de un teratogeno, definido como un agente que causa daño durante el periodo prenatal.

Ejemplos de teratogenos:

•Prescripcion y autoprescripción de fármacos•Cafeina•Drogas ilegales•Tabaco y marhuana•Alcohol



Teratogenos: efectos a largo plazo por fumar

Estudios longitudinales evidencian un impacto sobre el desarrrollo cognitivo del niño

Los resultados de un estudio Canadiense que siguio a niños desde el nacimiento hasta los 16:Evidencio que la exposición al humo del cigarrillo resulto en disminución general de la inteligencia, y de la memoria de trabajo



Teratogenos: efectos a largo plazo por fumar

Los resultados de un estudio Canadiense que siguio a niños desde el nacimiento hasta los 16:

La exposición al humo de marijuana resulto en deficits en funciones ejecutivas como la atención y la memoria de trabajo, ademas de problemas en el procesamiento visual como la integración visual y el analisis.

La exposición al humo de marihuana resulto en disminución de la actividad en el hemisferio derecho y el incremento de la actividad en el hemisferio izquierdo en los circuitos del lobulo frontal para la memoria de trabajo



Música prental y persepcion de la voz

¿Que saben los bebes antes de nacer? Es importante que la madre le hable a su bebe no nacido? Existe un impacto posterior en la función cognitiva?

Existe un esfuerzo comercial masivo para proveer a los padres de material que clama ayudar al desarrollo cognitivo. El veredicto es incierto

• La mielina es una sustancia grasa rica en fósforo.Permite una adecuada transmisión de los impulsos nerviosos.

• Su formación comienza antes del nacimiento y ocurre por ciclos, con una secuencia ordenada.

• Al finalizar el 2º trimestre de la gestación se han mielinizado las raíces y médula espinal y se ha iniciado en el troncoencéfalo.

• Se da en patrones nerviosos que permitirán al bebé succionar y llorar.

• El desarrollo de este proceso se da de arriba hacia abajo y de la parte posterior hacia la frontal.

• El niño aprende sonidos antes que caminar.

• Los axones largos que movilizan los músculos del pie tardan mas en mielinizarse que los axones que inervan la lengua y la laringe.

• La visión se da antes que el habla.

• A los dos años el haz corticoespinal termina su mielinización.

• En la adolescencia el cuerpo calloso.

• Alrededor de los 30 años, la vía de asociación entre la corteza prefrontal ipsilateral y los lóbulos temporal y parietal.

• Alteraciones en la Mielina se asocia a retardo en el desarrollo.

• Sustancia gris: Se sitúan Cuerpos Celulares.

• Sustancia blanca: Se sitúan Fascículos o paquetes de fibra formados por Axones y Dendritas.

• Todos los Axones cuando abandonan la Sustancia Gris para pasar a la Sustancia Blanca se rodean de Mielina, el cual le sirve para transmitir con mayor rapidez el Flujo Nervioso.


“Gran parte de lo que somos esta determinado antes de nacer.”Dick Swaab

«Todo hombre puede ser, si se lo propone, escultor de su propio cerebro».

Ramón y Cajal


3.0 El desarrollo del cerebro: Un cambio permanente

El surgimiento y caida del desarrollo cerebral postnatal

El cerebro del recién nacido - hay muchos cambios de aditivos que se producen después del nacimiento:

•el volumen total del cerebro se cuadruplica entre el nacimiento y la edad adulta •un aumento en el tamaño y la complejidad de los árboles dendríticos de la mayoría de las neuronas, llamada arborización dendrítica •un aumento en la densidad de las sinapsis, o la sinaptogénesis •un aumento en la vaina grasa que rodea las fibras neuronales - llamado mielinización - que aumenta la eficiencia de las transmisiones eléctricas




El cerebro del recién nacido - hay muchos cambios de aditivos que se producen después del nacimiento:

Arborización dendrítica de las células en la corteza visual muestra el aumento en la longitud dendrítica entre el nacimiento hasta la edad adulta




El cerebro del recién nacido: también hay cambios regresivos que se producen después del nacimiento: densidades sinápticas también se someten a una pérdida de sinapsis, llamados poda. La secuencia de estos procesos varía entre las regiones corticales.



Diferencias regionales en el desarrollo del cerebro

Por ejemplo, la densidad sináptica en la corteza visual comienza a llegar a los niveles de adultos después de 2 años de edad, sin embargo la densidad sináptica de la corteza prefrontal no alcanza los niveles adultos hasta los años de adolescencia.



Diferencias regionales en el desarrollo del cerebro

Cambios en la densidad de materia gris durante el ciclo de vida: la densidad de materia gris disminuye rápidamente en algunas regiones (como la corteza frontal durante la adolescencia) y más constante en otros (como el surco temporal superior) durante la vida.


4.0 Desarrollo de la Mente y el Cerebro

El primer año de vida: una explosión de crecimiento y desarrollo

Tenemos muchas medidas objetivas del desarrollo del cerebro - como la densidad de la materia gris y el volumen total del cerebro: una cuestión clave en la neurociencia cognitiva del desarrollo es cómo esos cambios cerebrales estan relacionados con el desarrollo cognitivo?Tres aspectos del desarrollo cognitivo han sido el foco de muchos estudios de desarrollo: la adquisición del lenguaje, desarrollo de la función ejecutiva, y la cognición social.




El desarrollo de la lingüística: las capacidades lingüísticas infantiles

El lenguaje no es un sistema unitario, sino que se compone de muchos aspectos del conocimiento lingüístico. Tres aspectos fundamentales de los conocimientos lingüísticos son: fonología (basado sonido), la sintaxis (gramática), y la semántica (significado).




El desarrollo de la lingüística: las capacidades lingüísticas infantiles

Un hallazgo clásico en los adultos es que las funciones del lenguaje son izquierdo dominantes. ¿Desarrolla esto con el tiempo, o está presente al nacer?

Si bien todavía se está dilucidado esta cuestión, un estudio de resonancia magnética funcional de los lactantes de 2-3 meses mostraron una mayor activación en las regiones lingüísticas temporales en el lado izquierdo en respuesta al discurso.




El desarrollo del cerebro ejecutivo: ¿Qué saben los bebés? Los bebés tan menores como de 4 meses de edad pueden hacer predicciones sobre su entorno físico: en este experimento, el bebé no se sorprende por el posible caso de una hoja que se levanta y es sostenida por un bloque sólido, pero se sorprende con n el evento imposible de que la hoja gire a través del bloque sólido, lo que indica que él es consciente de que los objetos son sólidos.




Desarrollando el cerebro social: caras y lugares

La percepción de la cara en los recién nacidos: los recién nacidos rastrear rostros esquemáticos, más que rostros revueltos o cabezas en blanco, lo que indica una preferencia por los rostros al nacer.



El cerebro lingüístico: la adquisición del lenguaje Mientras que el primer año de vida representa una etapa sin precedentes de crecimiento del cerebro de explosivo y el desarrollo cognitivo, muchos aspectos del crecimiento cognitivo tardan años en madurar - tales como los sistemas de lenguaje. Los estudios que utilizaron EEG y potenciales evocados revelan un patrón organizado de la adquisición del sonido, de significado, y el conocimiento basado en la gramática necesaria para la adquisición del lenguaje.



El cerebro lingüístico: conocimiento sintáctico a la edad de 2 años A la edad de 2, los cerebros de los niños responden a oraciones sintácticamente incorrectas esto indica que los procesos implícitos para la extracción de reglas gramaticales están en su lugar.



El cerebro ejecutivo: tomando el control cognitivo

Incluso los niños pequeños deben aprender qué información en su mundo es importante y lo que es poco importante o irrelevante.

Estos mecanismos de aprendizaje entran en la categoría general de "control cognitivo" y han sido el foco de muchos estudios en el desarrollo del niño.



El cerebro ejecutivo: tomando el control cognitivo

En los adultos, la corteza prefrontal está activa para las tareas de control cognitivo. Los estudios realizados con niños demuestran que los niños más jóvenes exhiben una activación cerebral más amplia y difusa en estas tareas que los adultos. Figuras cerebrales (derecha) muestran las regiones de aumento y disminución de la activación en función de la edad (Casey et al., 2005).



El cerebro ejecutivo: Procesos atencionales en la niñez

Un modelo de atención propuesto por Posner y sus colegas se ha combinado con la Red de Atención de tareas (ANT) para investigar los procesos de atención en los adultos.

Modelo de atención de Posner describe tres diferentes redes neuronales altamente superpuestas para:

•Alerta a la información nueva y relevante •Orientar y reorientar la información o los estímulos relevantes •El control ejecutivo de los procesos de atención

Cognition, Brain and Consciousness: An Introduction to Cognitive NeuroscienceEdited by Bernard J. Baars and Nicole M. Gage2007 Academic Press



Konrad y sus colegas (2005) utilizaron resonancia magnética funcional y una forma modificada de la Atención de la red de trabajo para investigar los procesos de atención en niños de 8-12 años.

La tarea consiste en cuatro condiciones de referencia y de destino diferentes para investigar alerta, orientación y control ejecutivo de los procesos de atención.




En la condición de alerta, los adultos mostraron un aumento de la activación de la circunvolución del cíngulo derecho (parte superior) y en el tronco cerebral (parte inferior) en comparación con los niños.

Konrad y sus colegas sugirieron que estos resultados reflejan diferentes modulación "de arriba abajo" de mecanismos de alerta en los adultos que no puedan establecerse plenamente en los niños en el rango de edad de 8-12 años.




En la condición de orientación, los adultos mostraron una mayor activación de la unión temporal-parietal derecha (arriba), en comparación con los niños. Los niños mostraron una mayor activación en el putamen y la ínsula (centro) y en la circunvolución frontal superior (inferior) en comparación con los adultos.

Estos hallazgos pueden representar el reclutamiento de las diferentes regiones del cerebro durante la realización de las tareas debido a los mecanismos de control cognitivo en niños inmaduros.




En la condición de control ejecutivo, los adultos mostraron una mayor activación en la corteza parietal superior (izquierda) y el giro frontal inferior (derecha) en comparación con los niños.




En la condición de control ejecutivo, los niños mostraron una mayor activación en la circunvolución temporal superior (izquierda) y la circunvolución frontal superior (derecha) frente a los adultos.

En conjunto, este estudio muestra un patrón sorprendentemente diferente de la activación de los niños en comparación con los adultos en cada uno de los procesos de atención estudiadas. Se necesita más evidencia, sin embargo, puede darse el caso de que de que los sistemas de control cognitivo son funcionales - pero inmaduro - en los niños pequeños, en comparación con los adultos.



El cerebro social: percepción de rostros enla niñez

La percepción de la cara ha sido el foco de muchos estudios de neuroimagen y de comportamiento en los recién nacidos, lactantes, niños y adultos. ¿Por qué es tan importante esta área de investigación? La investigación de las regiones del cerebro que pueden estar especializados para la percepción de las caras de especies específicas podrían arrojar luz sobre el debate: nutura vs. natura

¿Estamos predispuestos a atender, concentrarse, e interpretar las señales en la cara? ¿O es que nuestra vasta experiencia con caras proporciona información de procesamiento habilidades que no son específicas de las caras, por lo que utilizamos redes de percepción de objetos visuales generales?



El cerebro social: percepción de rostros en la niñez

Los bebés muestran una clara preferencia por mirar caras, los procesos neuronales subyacentes se desconoce

Los resultados de los estudios realizados proporcionan evidencia de que los niños más pequeños tienen respuestas cerebrales más difusas a las señales emocionales que los niños mayores que tienen respuestas más focales - aunque no como un adulto. Estos resultados indican que la percepción de la cara es un proceso que demora en madurar. Si bien el debate continua, parece que tanto una predisposición a asistir a las caras y los procesos de maduración basados en la experiencia están implicados en la percepción rostro humano.


5.0 Daño Cerebral Temprano y Plasticidad del Desarrollo

Daño perinatal cerebral a pequeña y gran escala

¿Cuál es el resultado a largo plazo de (perinatal) daño cerebral temprano? En los adultos, el daño cerebral debido a un accidente cerebrovascular o una lesión por lo general conduce a déficits que pueden ser graves y de larga duración. Es este el caso cuando se produce el daño cerca de la natalidad?



Tres patrones de injuria prenatal:

•Un gran lesión unilateral que implica más de un hemisferio cerebral (izquierda) •Una pequeña lesión limitada a un lóbulo cerebral (en el centro) •Una lesión profunda que implica tanto corticales como subcorticales (derecha)



Global versus local: deficits visuoespaciales

Una forma de investigar los efectos del daño cerebral temprano es utilizar las tareas que se han demostrado para dilucidar los déficits del hemisferio específico en el cerebro dañado de adultos : una tarea de copia en la figura tiene tanto información global y local (detallada).

Un hallazgo clásico es que los pacientes con daño derecho no pueden copiar los aspectos globales de la figura mientras que los pacientes dañados en lado izq. no pueden copiar los aspectos locales.



Global versus local procesos cerebrales

Un estudio de fMRI de adolescentes típicos muestra asimetrías hemisfericas en el procesamiento de la información global y local; adolescentes con daño cerebral unilateral muestran asimetrias tanto de procesamiento global y local en el hemisferio no dañado (Stiles et al., 2005).



¿Cuál es el resultado a largo plazo de daño (perinatal) cerebral temprano?Los estudios longitudinales de Stile demuestran que puede haber daño duradero a los procesos cognitivos, como los mecanismos de la cognición espacial utilizados en la descodificación de la información global y local. Sin embargo, también proporcionan pruebas de un sistema cerebral que es altamente flexible, con el reclutamiento compensatorio del territorio neural en el hemisferio en buen estado a apoyar estos tipos de mecanismos.


6.0 Resumén

El advenimiento de nuevas técnicas de forma no invasiva el estudio del desarrollo humano ha proporcionado los medios para hacer frente a nuevas preguntas sobre el desarrollo cognitivo, algunas de las cuales nunca fueron direccionables antes - como hace un bebé para saber antes de nacer? ¿Puede un niño comprender la gramática de la lengua?

El debate: la naturaleza frente a crianza continúa ... En cada etapa del desarrollo, hay efectos genéticos importantes y limitaciones biológicas durante el el desarrollo del cerebro y la mente humana. Del mismo modo, en cada etapa hay efectos críticos del medio ambiente circundante, ya sea a nivel de una célula, un sistema, o el propio cerebro.

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