OSSS as a possible biomarker for Alzheimer

DISEÑOS EXPERIMENTALES EN LA VALORACIÓN DE PROCESOS: UTILIZACIÓN DE TAREAS DE INHIBICIÓN VISUAL COMO PREDICTOR DE ALZHEIMER

Sonia Abad Hernando Máster de Neurociencia Universidad Complutense de Madrid

PLANIFICACIÓN DEL EXPERIMENTO

Resumen Las concentraciones de GABA en córtex están altamente correlacionadas con una medida comportamental de la inhibición visual, de tal manera que una mayor concentración de GABA en la corteza visual predice mejores resultados en supresión periférica selectiva a la orientación (OSSS). Propongo la utilización esta prueba de tipo psicofísica-conductual, ya contrastada para la hipótesis GABAérgica de la esquizofrenia mediante técnicas de neuroimagen como la espectroscopia por resonancia magnética (MRS), y que correlaciona de manera significativa con las concentraciones de GABA a nivel cortical, para seguir contrastando estos déficits en la síntesis de GABA en otras enfermedades mentales que apunten fallos en la inhibición cortical como la enfermedad de Alzheimer.

Introducción La demencia es un síndrome caracterizado por la falta de memoria reciente y otras funciones intelectuales cuyo inicio suele ser insidioso pero progresa constantemente. La enfermedad de Alzheimer es la demencia más frecuente y constituye el 60-80% de los casos en acianos. Afecta al 5-10% de la población de mayores de 65 años y hasta un 45% en los mayores de 85 años. En los casos típicos el primer signo es un deterioro de la función de la memoria reciente y la atención, seguido por el deterioro de las funciones cognitivas superiores como las habilidades del lenguaje, la orientación visoespacial, el pensamiento abstracto y el juicio, acompañados de alteraciones en la personalidad. El diagnóstico tentativo de enfermedad de Alzheimer se basa en estos rasgos clínicos característicos, y sólo puede confirmarse mediante la patología celular definida que se observa en el examen post mortem del encéfalo. La histopatología presenta dos características principales, los ovillos neurofibrilares que contienen fosfoproteína tau y las placas neuríticas con β-amiloide.

Figura 1. Placa beta-amiloide en preparación post-mortem de tejido cerebral de un paciente con Enfermedad de Alzheimer.

Progresivamente se produce un empobrecimiento del pensamiento y pérdida de iniciativa conductual y cognitiva. Los enfermos afectados no tienen conciencia de su déficit. Los factores de riesgo son la edad, los traumatismos craneoencefálicos y las enfermedades cerebrovasculares, junto a factores hereditarios. Se produce atrofia en los lóbulos temporales y pérdida de neuronas en las capas profundas de la corteza. Existe también un deterioro dopaminérgico en los ganglios basales, y déficit colinérgico en áreas del cerebro. La evolución del deterioro neuropsicológico es insidioso y progresivo, en las fases finales se produce un síndrome afaso-apracto-agnósico generalizado. El déficit de memoria interfiere desde el principio en las actividades cotidianas del paciente y suele existir alteración en la memoria inmediata y la de fijación. En las fases iniciales de la enfermedad es frecuente la anomia, pero a medida que pasa un tiempo aparecen manifestaciones afásicas. También existen trastornos agnósicos de tipo visoespacial y apraxia constructiva y del vestir, y en fases avanzadas pueden aparecer apraxias ideomotoras o ideatorias. La sintomatología depresiva constituye la primera expresión de la enfermedad, junto con las ideas delirantes y alucinaciones, o trastornos del comportamiento como la fuga, vagabundeo, agresividad y trastornos de la sexualidad. La mayoría de las sinapsis inhibidoras en el encéfalo y la médula espinal emplean GABA o glicina como neurotransmisores. El GABA puede inhibir la capacidad de las neuronas de los mamíferos para disparar potenciales de acción. En la actualidad se sabe que hasta un tercio de las sinapsis del encéfalo utilizan GABA como neurotransmisor inhibidor. Las sinapsis inhibidoras que emplean GABA como transmisor pueden mostrar tres tipos de receptores postsinápticos: GABAA y GABAC (ionotrópicos) y GABAB (metabotrópico). Los receptores de GABA ionotrópicos suelen ser inhibidores porque sus canales asociados son

permeables al Cl - : el flujo de iones cloro con carga negativa inhibe a las células postsinápticas dado que el potencial de reversión para el Cl es más negativo que el umbral para la descarga neuronal. Los receptores GABAB, metabotrópicos, tienen la misión de abrir canales de potasio para que éste escape del interior de la célula hacia el exterior. En razón de su carga positiva, el ion potasio negativiza el interior celular al salir, lo que comporta una hiperpolarización de la membrana.

Figura 2. Receptor de GABA y glicina.

La convergencia de muchos potenciales postsinápticos excitadores (EPSP) procedentes de muchas fibras aferentes permiten que sean integrados por la neurona para iniciar un potencial de acción. Al mismo tiempo, los potenciales sinápticos inhibidores (IPSP), si son lo bastante intensos, pueden contrarrestar la suma de las acciones excitadoras e impedir que el potencial de membrana alcance el umbral.

La estimulación de una interneurona GABAérgica presináptica produce una inhibición transitoria del disparo del potencial de acción en su blanco postsináptico. Además de contrarrestar la excitación sináptica, la inhibición sináptica puede ejercer un potente control sobre las células nerviosas espontáneamente activas. Si se suprime la generación espontánea de potenciales de acción en estas células, la inhibición sináptica puede modelar el patrón de envío de señales de la célula (modelado de la inhibición). Los agentes que bloquean la transmisión gabaérgica generan convulsiones mientras que agentes que aumentan la inhibición tienen efectos sedativos, anticonvulsionantes y ansiolíticos. El efecto neto de las señales que penetran en cualquier sinápsis individual excitadora o inhibidora dependerá por lo tanto de varios factores: localización, tamaño y forma de la sinapsis, y proximidad y fuerza relativa de las otras sinápsis sinérgicas o antagónicas. Estas señales de entrada competidoras son integradas en la neurona postsináptica por un proceso denominado integración neuronal. La integración neuronal refleja a nivel celular la tarea que confronta el sistema nervioso como un todo: la toma de decisiones. La decisión de iniciar un potencial de acción se toma en el cono axónico. Esta región de la membrana tiene un umbral más bajo para potenciales de acción que el cuerpo celular o las dendritas, debido a que la densidad de canales de Na + dependientes de voltaje es mayor. Por tanto los potenciales de acción generados en las dendritas se propagan electrotónicamente al cuerpo celular y el cono axónico, donde son integrados con todas las demás señales que entran en la célula. Los síntomas cognitivos y neuropsiquiátricos observados en Alzheimer probablemente resulten de diferentes alteraciones en los neurotransmisores. Muchos estudios neuroquímicos han asociado una disfunción en el sistema glutamatérgico con la patología en la enfermedad de Alzheimer (Revett et al., 2012; Sokolow et al., 2012),

incluyendo una reducción del ácido glutámico contenido en cerebros con esta demencia (Procter et al., 1988), un decremento en la unión a receptores (Cross et al., 1987) y una disminución en la recaptación del glutamato cortical e hipocampal, la cual se ha interpretado como resultado de la pérdida de sinápsis glutamatérgicas (Cowburn et al., 1988; Hardy et al., 1987). Según García-Alloza et al (2006), el papel del sistema glutamatérgico y GABAérgico en los síntomas cognitivos y comportamentales de la demencia se ha estudiado post-mortem en córtex frontal y temporal de pacientes con Alzheimer, encontrando que además de los déficits colinérgicos, existen disminuciones significativas en el contenido de ácido γ-amino butírico (GABA) sin cambios en los niveles de glutamato. Tanto los niveles de GABA como la razón glutamato/GABA muestran correlaciones significativas con la depresión en Alzheimer.

Figura 3. Vías de neurotransmisión del GABA.

Existen diferentes estudios que relacionan un déficit en los mecanismos de inhibición con una alteración en los umbrales de detección en psicofísica visual. Más concretamente, se relaciona los niveles de GABA en el córtex visual con un patrón de respuesta diferente en las pruebas de supresión periférica selectiva a la orientación (OSSS). Estudios como los de Yoon et al (2010) y Silver et al (2010) ponen a prueba la hipótesis GABAérgica de la esquizofrenia, midiendo previamente los niveles de GABA en el córtex visual mediante espectroscopia por resonancia magnética (MRS), y correlacionando éstos con las pruebas de OSSS. De forma que se comparan los niveles de GABA/Cr obtenidos mediante la MRS con las medidas comportamentales de supresión periférica selectiva a la orientación (OSSS). La conclusión de este tipo de experimentos es que sí existe una alta correlación positiva que es significativa entre esas dos variables. Estos estudios sugieren que un déficit neocortical de GABA conduce a una alteración en la inhibición cortical, y que la transmisión sináptica GABAérgica en el cortex visual tiene un papel crítico en las pruebas OSSS. También reciben apoyo de grabaciones intracelulares de las neuronas V1, en las que la presentación de un estímulo envolvente suscita un aumento transitorio en la conductancia inhibidora, seguido de una reducción sostenida en las conductancias tanto excitatorias como inhibitorias, todos ellas selectivas a la orientación. El objetivo de este estudio es comprobar si en efecto existe esa deshinibición cortical como rasgo común en la enfermedad de Alzheimer, y si ésta realmente correlaciona con la prueba de supresión periférica selectiva a la orientación, de manera que se pueda utilizar esta prueba de inhibición visual como una prueba de apoyo al diagnóstico diferenciado de la demencia tipo Alzheimer.

Fig. Distribución de los cambios anatomopatológicos (incluidas placas, ovillos, pérdida neuronal y retracción de la sustancia gris) en la enfermedad de Alzheimer. La densidad de los puntos indica la gravedad de la patología (Blumenfeld, 2002).

Método Sujetos. Para llevar a cabo el experimento necesitaremos dos grupos de sujetos. El grupo experimental serán pacientes diagnosticados con enfermedad de Alzheimer y el grupo control sujetos sanos, todos con vista normal o corregida y rango de edad entre los 30 y 85 años.

A todos los sujetos se les pasará previamente el Mini-examen cognoscitivo de Lobo y el Test de Stroop. Se utilizarán los resultados psicofísicos de 40 sujetos (20 controles y 20 alzheimer). La prueba de supresión periférica selectiva a la orientación (OSSS) es una prueba de discriminación de contraste, en la cual un segmento de los contenidos en el anillo presenta menor contraste que el resto, bajo tres condiciones: sin estímulo de fondo (no surround, NS), con el estímulo de fondo orientado verticalmente (parallel surround, PS), y con el estímulo de fondo orientado horizontalmente (orthogonal surround, OS). El estímulo consiste en un parche circular de contraste invertido (4 Hz), formado por un enrejado sinusoidal en escala de grises a una determinada frecuencia espacial (1.1 ciclos/°). El estímulo está dividido en anillo y fondo (cuando se presenta) mediante líneas negras concéntricas. El radio interno y externo del anillo son 2,9 y 5,6 °, respectivamente. La región del fondo contiene el resto del estímulo: la parte central, que se extiende desde el punto de fijación central de la frontera interna del anillo, y la parte exterior, que se extiende desde el borde exterior del anillo para una excentricidad de 9,2 °. El segmento del anillo de menor contraste (target) puede ir variando de posición por todo el anillo de forma aleatoria, pero sólo aparecerá en la mitad de las condiciones presentadas en el experimento. En los ensayos restantes todos los segmentos muestran el mismo contraste. La dificultad de la tarea se ajusta utilizando escaleras adaptativas. La razón entre los umbrales de sensibilidad al contraste de las condiciones PS y OS (PS/OS) nos proporciona la medida más directa de OSSS, debido a que

los estímulos son idénticos excepto por la orientación del fondo con respecto al anillo. También es la más utilizada para caracterizar las correlaciones de OSSS en la literatura electrofisiológica. Todas las comparaciones estadísticas se realizarán mediante pruebas bilaterales de significación. Para el análisis se realizará una T-Student para medidas independientes, buscando diferencias significativas entre los dos grupos.

Fig. Las tres condiciones experimentales. “A”, sin estímulo de fondo (no surround, NS); B, con el estímulo de fondo orientado verticalmente (parallel surround, PS); y C, con el estímulo de fondo orientado horizontalmente (orthogonal surround, OS).

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