¿Cómo se conecta la olfacción?

rEVISIÓN
¿Cómo se conecta la olfacción? Mecanismos celulares
y moleculares que dirigen el desarrollo de las conexiones
sinápticas desde la nariz a la corteza (I)
Diego García-González, Fernando de Castro
Resumen. Dentro del conjunto del sistema nervioso central, el sistema olfativo resulta fascinante por sus particularidades
fisiológicas durante el desarrollo, siendo uno de los modelos más estudiados para entender los mecanismos relacionados
con la guía y el crecimiento axonal hacia sus objetivos apropiados. Se conoce una constelación de mecanismos, unos
mediados por contacto (lamininas, moléculas de adhesión celular, efrinas, etc.) y otros secretables (semaforinas, slits,
factores de crecimiento, etc.), por desempeñar diversas funciones en el establecimiento de las interacciones sinápticas
entre el epitelio olfativo, el bulbo olfativo y la corteza olfativa. También se han propuesto al respecto otros mecanismos
específicos de este sistema, incluida la increíble familia de cerca de 1.000 receptores olfativos distintos. En los últimos
años, diferentes revisiones se han concentrado en los elementos parciales de este sistema, sobre todo en los mecanismos
implicados en la formación del nervio olfativo, echándose en falta una revisión detallada de aquellos relacionados con el
desarrollo de las conexiones entre las distintas estructuras olfativas (epitelio, bulbo y corteza). En esta primera parte de la
revisión, abordamos este tema desde el siguiente enfoque: los diversos mecanismos celulares y moleculares que dirigen
la formación del nervio olfativo y el tracto olfativo lateral.
Palabras clave. Bulbo olfativo. Corteza olfativa. Guía axonal. Migración de interneuronas. Moléculas de adhesión celular.
Quimiotropismo. Sistema olfativo accesorio.
Introducción: una breve presentación
del sistema olfativo y su desarrollo
El circuito básico en el sistema olfativo en los mamíferos (Fig. 1) comienza en las neuronas sensitivas olfativas (NSO) del epitelio olfativo (EO), una
estructura que se desarrolla a partir de la placoda
olfativa durante la embriogénesis [1,2]. Los axones
de las NSO forman el nervio olfativo, que proyecta
al bulbo olfativo (BO), una evaginación del telencéfalo, y establecen sinapsis con las dendritas apicales y las células mitrales y empenachadas, dando
lugar así a los glomérulos del BO. Cada una de las,
aproximadamente, cinco millones de NSO presentes en la cavidad nasal de un roedor expresa de modo
exclusivo uno de los 1.300 distintos genes de los receptores olfativos existentes [1,2], mientras que aquellas NSO que expresan un mismo gen de receptores
olfativos se encuentran distribuidas al azar dentro
de la propia cavidad nasal, y sus axones proyectan
selectivamente a sólo entre 1 y 4 de los 2.000 glomérulos existentes en el BO, reflejando la precisión
de la convergencia de los axones de los nervios olfativos [1,2].
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Los axones primarios de las neuronas de proyección del BO (células mitrales y empenachadas) crecen preferentemente hacia una región muy estrecha
de la parte ventrolateral del telencéfalo para formar
el tracto olfativo lateral (TOL), que se coloca justo
bajo la superficie pial [1,2]. Los axones de las células mitrales del bulbo olfativo accesorio (BOA; véase más adelante para más detalles) están localizados
en la capa más profunda del TOL, segregados de
los axones de las neuronas de proyección del BO,
las cuales son las primeras generadas tan profundamente y que, a su vez, generan nuevas neuronas en
la capa más superficial del TOL, entre E11,5 y P1P3 en el ratón [3,4]. Los axones del TOL emiten ramificaciones colaterales que alcanzan sus áreas de
destino, en lo que se conoce comúnmente como la
corteza olfativa primaria, y que contiene, principalmente, las siguientes estructuras (de anterior a posterior): el núcleo olfativo anterior, el tubérculo olfativo, la corteza piriforme, varios núcleos amigdalinos y la corteza entorrinal [1,2]. Inicialmente se
creía en la existencia de un mapa estereotípico del
EO en la corteza olfativa a través del BO, es decir,
que las aferencias desde las NSO que expresan el
Grupo de Neurobiología del
Desarrollo (GNDe). Hospital Nacional
de Parapléjicos. Toledo, España.
Correspondencia:
Dr. Fernando de Castro Soubriet.
Grupo de Neurobiología del
Desarrollo (GNDe). Unidad de
Neurología Experimental. Hospital
Nacional de Parapléjicos. Finca La
Peraleda, s/n. E-45071 Toledo.
E-mail:
[email protected]
Financiación:
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Ministerio de Ciencia e InnovaciónMICINN (SAF2005-28387E,
SAF2007-65845), parcialmente
con FEDER, la Consejería
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la Junta de Comunidades de
Castilla-La Mancha y FISCAM
(PI2007-66, GCS2006-C24 y
G-2008-C8). D.G.G. está contratado
por PI2007-66, y F.D.C., por
SESCAM.
Aceptado tras revisión externa:
03.09.10.
Cómo citar este artículo:
García-González D, De Castro F.
¿Cómo se conecta la olfacción?
Mecanismos celulares y moleculares
que dirigen el desarrollo de las
conexiones sinápticas desde la
nariz a la corteza (I). Rev Neurol
2011; 52: 477-88.
© 2011 Revista de Neurología
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Figura 1. Representación esquemática de la neurogénesis y axonogénesis en el sistema olfativo. La neurogénesis de las neuronas sensitivas olfativas, mitrales y en la corteza olfativa comienza a E9-9,5, E11 y
E10, respectivamente. La axonogénesis de las células mitrales se desencadena en E11,5, antes de la llegada de axones del nervio olfativo a la superficie telencefálica (E12). Las células mitrales desarrollan dendritas en el momento en que los primeros axones entran en el bulbo olfativo (E13,5). Los axones del tracto
olfativo lateral emiten colaterales que invaden sus objetivos corticales sobre E14,5/15. La generación de
células en cada compartimento se genera de modo independiente, presumiblemente debido a mecanismos de control intrínsecos (hipótesis del protomapa).
mismo mapa receptor se proyectan con precisión
hasta los grupos de neuronas diana en la corteza.
Sin embargo, este concepto se encuentra bajo discusión en la actualidad [5]. La definitiva formación
de las capas del BO depende de la llegada de los
precursores neuronales que migran de forma tangencial desde la zona subventricular telencefálica,
que darán lugar a las futuras interneuronas del BO,
las únicas células de esta estructura que se generan
fuera de ella [1,2].
Entre los diferentes elementos de la corteza olfativa primaria se desarrolla un complejo patrón de
interconexiones, pudiéndose distinguir los siguientes elementos [6]:
– Proyecciones corticocorticales locales e intrarregionales asociadas.
– Proyecciones extrínsecas desde el núcleo olfativo anterior, la corteza piriforme y la corteza entorrinal lateral que proyectan de vuelta al BO,
tanto ipsi como contralateralmente.
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– Proyecciones contralaterales hacia otras regiones de la corteza olfativa primaria, incluso las fibras comisurales, principalmente desde las zonas más rostrales de la corteza piriforme hacia la
corteza contralateral.
– Proyecciones extrínsecas hacia el neocórtex (cortezas insular y orbitofrontal), el núcleo talámico
mediodorsal y el hipotálamo.
Esta organización del sistema olfativo que aparece
durante el desarrollo se ha explicado hasta la fecha
por dos hipótesis contrapuestas. Por un lado, la
teoría del ‘protomapa’ predice que el EO, el BO y la
corteza olfativa primaria se organizan simultánea e
independientemente, a través de un programa de
desarrollo intrínseco de cada estructura, posiblemente mediante moléculas determinantes de su
desarrollo [1,2,7]. Por otro lado, la teoría del protocórtex afirma que dicho desarrollo depende de elementos extrínsecos [1] y predice que el desarrollo
del BO sería un proceso secundario, dependiente
de la llegada de las fibras de las NSO desde el EO, y
que la consiguiente llegada de fibras del TOL a la
corteza olfativa sería necesaria para inducir la diferenciación en esta región cortical. Hace algunos
años revisamos en detalle el conjunto de datos experimentales que sugerían que la hipótesis del protomapa explica cómo se desarrolla la corteza olfativa, bajo una influencia del epitelio olfativo sobre
el BO únicamente relevante una vez que las mencionadas estructuras (epitelio, bulbo y corteza) se
han generado independientemente [1,2]. En este
mismo sentido, los abordajes genéticos más recientes, como ratones con una ‘nariz monoclonal’ (en
la cual más del 95% de las NSO expresan un único
receptor olfativo), parecen confirmar que los mecanismos intrínsecos del BO son responsables de
la formación de los glomérulos [8], y tan sólo se
observa una influencia secundaria desde los axones de las NSO, que, al secretar un miembro de la
familia de TGF, induce de un modo selectivo el
crecimiento de dendritas desde las células mitrales
y empenachadas [9].
En los trabajos citados anteriormente, y como
una herramienta fundamental para nuestro propósito, resumimos los principales acontecimientos
propios del sistema olfativo, situándolos en una escala temporal relativa para rata y ratón, con el fin de
ofrecer de este modo una referencia para posteriores investigaciones [1,2]. En resumen, la cronología
del desarrollo del sistema olfativo en el ratón podría
considerarse como se muestra en la figura 1:
– La placoda olfativa y las primeras evidencias de
neurogénesis del futuro EO comienzan alrededor
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Mecanismos celulares y moleculares que dirigen el desarrollo de las conexiones sinápticas desde la nariz a la corteza
de E9,5, mientras que las primeras neuronas se
generan en el BO a E11 y en la corteza olfativa a
E10, respectivamente.
– Antes de E10,5, los primeros axones de las NSO
son claramente identificables, pero no se unen
para formar un nervio olfativo ya patente hasta
E11 y E12; alrededor de E13,5, el nervio olfativo
entra al BO para formar sinapsis.
– El TOL se observa por vez primera como tal entre E11,5 y E12, cubre la superficie de la corteza
olfativa a E13,5 y emite colaterales para colonizarla a E14,5.
Debido a la gran variedad de poblaciones celulares
y estructuras, falta por recopilarse una escala temporal similar para cada elemento de la corteza olfativa. Los axones del nervio olfativo se distribuyen
inicialmente de un modo difuso dentro del BO,
aunque, en el ratón, comienzan a asociarse topográficamente en determinadas zonas de la capa glomerular (los protoglomérulos) a E17,5, los cuales se
condensan progresivamente y se separan de los
otros hasta alcanzar su aspecto característico final
de glomérulos olfativos maduros, en un proceso
que comprende entre E18,5 y P14 [2].
El objetivo de esta revisión es sintetizar los mecanismos implicados en la generación de las conexiones entre las distintas estructuras en el sistema olfativo. En cada epígrafe de esta revisión (el
nervio olfativo, el TOL y las conexiones intracorticales) se resumirá lo que puede considerarse como
mecanismos ‘especiales’ (exclusivos y característicos de esa proyección axonal), así como todas las
señales mediadas por contacto (permisivas y no permisivas) y las señales a distancia secretables (atrayentes y repelentes) relevantes para dichos procesos
del desarrollo [1,2]. Aunque otras revisiones parciales sobre el tema se han publicado previamente [1,2,
10-12], el presente trabajo aporta una revisión exhaustiva del proceso de guía axonal que conecta el
sistema olfativo entero, desde el EO hasta el BO,
desde el BO hasta los diferentes elementos de corteza olfativa primaria y dentro de ella. Además, también se presenta una visión general de las bases moleculares del desarrollo de la conectividad en el sistema olfativo accesorio.
Todos los datos resumidos en este artículo se
presentan en la tabla. Con el fin de añadir agilidad
al texto, no nos referiremos a los patrones temporales de expresión de las distintas moléculas tratadas
a lo largo del texto, excepto en aquellos casos en los
que dichos patrones difieran de la escala temporal
propia de los principales eventos recopilados en el
resto del texto y en previas revisiones [1,2].
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Del epitelio olfativo al bulbo olfativo:
mecanismos celulares y moleculares
implicados en la formación del nervio olfativo
Como ya se destacó anteriormente, las NSO son las
únicas células que proyectan desde el epitelio olfativo hacia el BO, y el conjunto de esos axones constituye el nervio olfativo, cuyas terminaciones nerviosas forman sinapsis con las dendritas apicales de las
células mitrales y empenachadas para dar lugar a los
glomérulos del BO. Desde su descubrimiento hace
casi 20 años [13], los receptores olfativos constituyen una de las familias de genes más fascinantes y
mejor conocidas. Como ya se mencionó con anterioridad, unos 1.300 genes codifican para los receptores olfativos en roedores y cada una de las, aproximadamente, cinco millones de NSO de la nariz de
un roedor expresa un único receptor olfativo [1,2].
Sin embargo, el número de receptores olfativos en
los humanos es sólo de 350 y muestra un cociente de
convergencia entre glomérulos y receptores olfativos
de 16:1, en lugar de la relación 2:1 que ocurre en el
ratón [14]. Los receptores olfativos se expresan antes
de la maduración final de las NSO, que viene determinada por la expresión de la proteína OMP [15],
y se ha propuesto que desempeñan un papel dual y
complementario en la selección de NSO:
– Por un lado, una NSO que no exprese un receptor olfativo termina muriendo. Este hecho indica
la existencia de un mecanismo de selección positiva de NSO que expresen al menos un receptor olfativo.
– Por otro lado, la identidad de los axones de las
NSO que coexpresan dos receptores olfativos en
un mismo momento se encuentra alterada, lo
cual provoca defectos en su proyección y en la
estabilidad de sus contactos, ejerciendo así una
selección negativa para las NSO que expresen
más de un receptor olfativo [16].
Del mismo modo, esta segunda propiedad sugiere
una función para los receptores olfativos implicados en la guía axonal.
En los últimos años, los receptores olfativos han
sido identificados en los conos de crecimiento de
los axones de las NSO, hecho que conduce a la hipótesis de que se encuentran implicados en el reconocimiento final de su destino e, incluso, en la navegación de los axones hacia el BO, la cual se invierte a lo largo del eje anteroposterior en respuesta
a los cambios en las señales de AMPc derivadas de
los receptores olfativos [17]. Sin embargo, se ha de
profundizar todavía en este último fenómeno, puesto que, en la actualidad, no queda del todo claro el
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Tabla. Efectos comparativos de moléculas en la formación del nervio olfativo, el tracto olfativo lateral y las conexiones intracorticales de la corteza olfativa.
Mecanismos especiales
Mecanismos mediados
por contacto
Moléculas secretadas
Nervio olfativo
Tracto olfativo lateral
Intracortical
Sistema olfativo accesorio
Receptores olfativos: no claro
Lot1 + células guidepost
–
–
OCAM: cambios menores
NCAM, NrCAM, OCAM
NrCAM: ACa
–
NrCAM, CLH1: guía axonal alterada
(±TAG-1): no demostrado
Desfasciculado y desplazado
Cadherina/Protocadherina-2: no claro
–
Celsr3: AC formada
–
EfrinaA3, EfrinaA5:
cambios menores
Efrinas: sin efecto
EphA4: ACa desplazada
EphB2: mezclada
ACa y ACp Nuk, Sek4
(Eph-relacionadas): sin efecto
–
Sema7A: sugerido
(a través de PlexinaC1) y otras
Sema7A: orientación,
crecimiento > colateralización
–
Sema7A: sugerida en el OVNS
(vía PlexinaC1 y otras)
Otros:
Glucanlactosamina: guía axonal
BIG-2/Contactina-4: sugerido
Reelina: sin efecto
Otros:
Laminina: crecimiento axonal
Fibronectina: crecimiento axonal
Anosmina-1: crecimiento axonal,
atrayente < colateralización
Otros:
COUP-TF1: acumulación de
axones en AC, pero no en ACa
Otros:
Lectina/carbohidratos:
sugeridos en el NVN
Reelina: sin efecto en el NVN
Sema3A
(a través de Neuropilina-1)
Sema3A: sin efecto
Sema3B: atrayente
Sema3F: repelente
Sema3A: sin efecto
Sema3B: ACa desfasciculada
Sema3F
y desplazada
(a través de Neuropilina-2):
Sema3F: ACa desfasciculada y
efectos menores en el NVN
desplazada vía Neuropilina-2 (no 1)
PlexinaA4: ACa ausente
Slit-1/Robo-2: segregación zonal
Slit-1 + Slit-2 (a través de Robo-1
y Robo-2): importantes
Slit-2: repelente
Slit-1−/−; Slit-2−/−: LOT no formado
(fenotipo más acusado que
Robo-1−/−; Robo-2−/−)
Slit-1−/−; Slit-2−/−:
axones mal dirigidos
Slit-1: repelente del NVN,
axones dirigidos al BO posterior
Netrina-1/DCC: sin efecto
Netrina-1: sin efecto
Netrina-1/DCC: AC ausente
o gravemente afectado
(TRIO involucrado)
–
Ácido retinoico: elongación axonal
–
Wnt5a: elongación axonal
–
IGF-1: atrayente
(NSO llegan al BO lateral)
–
–
Wnt/Frizzled-3: AC ausente
–
–
HGF: crecimiento axonal
CXCR4/SDF-1: sin efecto
ACa: parte anterior de la comisura anterior; ACp: parte posterior de la comisura anterior; BO: bulbo olfativo; CA: comisura anterior; HGF: factor de crecimiento hepatocítico; NSO: neurona
sensitiva olfativa; NVN: nervio vomeronasal; OVNS: órgano vomeronasal.
mecanismo por el cual los receptores olfativos podrían determinar la identidad de los conos de crecimiento de las NSO. Así, los receptores olfativos se
encontrarían implicados, como máximo, en los
procesos finales de formación de la proyección desde el epitelio olfativo al BO, por medio de interac-
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ciones homofílicas y heterofílicas que pudieran establecer con las dianas, dando lugar así a lo que ha
sido bautizado como ‘modelo contextual de crecimiento axonal’ [18,19]. El único medio por el cual
los receptores olfativos podrían influir en otros aspectos del comportamiento de las NSO es a través
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Mecanismos celulares y moleculares que dirigen el desarrollo de las conexiones sinápticas desde la nariz a la corteza
de la cascada de señalización de AMPc acoplada a
proteínas G [20] o a otros mecanismos que produzcan AMPc a través del nervio olfativo [5]. De este
modo, más adelante estudiaremos cómo la actividad de una célula puede influir en la formación del
nervio olfativo más detalladamente.
Uno de los enigmas relacionados con la formación de la conectividad entre el epitelio olfativo y el
BO es que, cuando los axones de las NSO se aproximan al supuesto bulbo (fenómeno que ocurre en
E14 en la rata), sólo unos pocos axones pioneros alcanzan su objetivo: la gran mayoría de las fibras
nerviosas no invade inmediatamente este tejido,
sino que lo consigue tras un retraso de varios días.
Este período de espera sería tiempo suficiente para
que los axones que llegan se acumulen y esperen
hasta que, finalmente, entren en el BO cuando éste
se vuelva permisivo a su paso [1,2]. Hasta el momento, hay pocas explicaciones moleculares para
esta prolongada espera, así como para las moléculas quimiotrópicas o los mecanismos mediados por
contacto involucrados (como las semaforinas o la
Netrina-1 secretada) en este proceso [21-23] (para
una revisión detallada acerca del papel de las moléculas de adhesión y secretadas en el proceso de navegación axonal de NSO, véase más adelante).
Mecanismos mediados por contacto
y formación del nervio olfativo
Además de lo que podría ser considerado como un
mecanismo ‘especial’ para la guía y el desarrollo del
nervio olfativo –a través de los receptores olfativos
(véase más arriba)–, se ha propuesto que distintos
mecanismos mediados por contacto pueden influir
en el desarrollo del primer par craneal. Hace más
de una década, las uniones célula-célula y diversas
moléculas de matriz extracelular (tenascina, cadherina) eran candidatas a desempeñar un papel relevante en la formación del nervio olfativo [22,24,25].
Entre estas moléculas, tal vez la más importante sea
la Tenascina-C, que inhibe la invasión prematura
de la capa glomerular durante cuatro días y permite
la correcta formación de los glomérulos olfativos a
tiempo [26], y la molécula de adhesión de células
olfativas (OCAM), cuya expresión debe disminuir
en las dendritas de las células mitrales y empenachadas para permitir así que los axones OCAM+
del nervio olfativo formen sinapsis, y viceversa [27].
Sin embargo, experimentos recientes han mostrado
que, modificando la expresión de OCAM (tanto en
animales knock-out como en transgénicos de sobreexpresión), sólo se provocan cambios menores en
la compartimentalización de los axones de las NSO
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en el propio BO, además de un incremento en el
número de glomérulos del BO inervados por axones de NSO heterogéneas, aunque no en su convergencia hacia la estructura de destino [28,29].
Se ha propuesto que la forma de NCAM que contiene ácido polisiálico, PSA-NCAM, desempeña un
papel destacado en el crecimiento de los axones de
las NSO inmaduras y en el ensamblaje inicial del
nervio olfativo [12,30-32]. La mutación nula de genes que codifican para moléculas de reconocimiento celular de la familia L1, como CHL1 y NrCAM,
alteran la guía axonal del nervio olfativo, aunque en
el ratón doble mutante CHL1−/−/NrCAM−/− no se
apreció incremento en el fenotipo debido a cada
una de las mutaciones [33]. Del mismo modo, la reciente detección en el sistema olfativo de moléculas
de adhesión dependientes de calcio, como las cadherinas [24] y, especialmente, la protocadherina-20
en NSO apenas diferenciadas [34], han abierto nuevas perspectivas a la hora de explicar la formación
del nervio olfativo. También se ha mostrado que la
mutación defectiva del gen que codifica para la enzima que produce la glucanlactosamina (β1,3-N’acetilglucosaminil transferasa 1-GnT1-β3GnT1) resulta en un crecimiento normal de los axones olfativos hacia el BO, a pesar de que, al menos algunas de
ellas (las que inervan los glomérulos P2 e I7), no
penetren en el BO [35]. En consecuencia, bajo estas
condiciones no se forman sinapsis con los elementos receptores de los glomérulos del BO [35].
Estos descubrimientos parecen ser los más relevantes en relación con el papel que tienen los mecanismos mediados por contacto en la formación de
las proyecciones desde el epitelio olfativo hacia el
BO. Las efrinas son, sin embargo, otra familia clásica de moléculas de adhesión/contacto que podrían
cumplir una función secundaria en la formación
del nervio olfativo. Efectivamente, la mutación defectiva de efrinaA3 y efrinaA5, expresadas ambas
en los axones de las NSO, apenas altera la fina convergencia de los axones hacia los glomérulos correctos dentro del BO [36], de acuerdo con la función de estas moléculas en la formación de proyecciones topográficas en otros sistemas sensoriales
[37,38]. Se ha demostrado recientemente que BIG2/ contactina-4, una glucoproteína de la superfamilia de las inmunoglobulinas, está expresada por una
subpoblación de NSO, y que dicha expresión se encuentra íntimamente correlacionada con la expresión de los receptores olfativos. De acuerdo con
esto, en ratones BIG-2–/–, las NSO que expresan el
mismo receptor olfativo a menudo inervan múltiples glomérulos en localizaciones ectópicas, lo que
sugiere que dicha molécula axonal desempeña un
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D. García-González, et al
papel crucial en la formación y mantenimiento de
un mapa de olores funcional en el BO [39]. Resulta
interesante que, a partir de la combinación diferencial de sólo seis marcadores axonales expresados
por las NSO, incluyendo los mencionados anteriormente [35,36,40] junto con la Neuropilina-1, un receptor de las semaforinas secretadas [41], y Kirrel-2
y Kirrel-3, nuevos miembros de la superfamilia de
las inmunoglobulinas [42], surgen 700 combinaciones posibles de ‘identidades moleculares’ para los
glomérulos del BO, lo que concuerda, casi a la perfección, con los 1.000 diferentes tipos de receptores
olfativos descritos hasta la fecha [11]. Sin embargo,
aunque estas moléculas podrían intervenir en el establecimiento de ciertos grandes dominios en el interior del BO, no parecen participar en la navegación de axones del nervio olfativo hacia los glomérulos, con la excepción de la Neuropilina-1 (véase
más adelante). Además, una vez ya dentro del BO,
es posible que su actividad intrínseca contribuya a
reafinar las conexiones iniciales ya establecidas.
Moléculas secretadas implicadas
en el desarrollo del nervio olfativo
Datos recientes parecen apuntar a lo necesarias que
son las señales secretables en la formación del nervio olfativo desde el BO [43]. Los primeros estudios
relacionados con la importancia que las moléculas
secretables tienen en la formación del nervio olfativo se concentraron en una potente semaforina quimiorrepelente, la Sema3A, en cuya ausencia se distorsiona la convergencia de los axones de las NSO
hacia sus respectivos glomérulos, efecto que parece
mediado por Neuropilina-1 [41,44,45]. La actividad
conjunta de otros dos quimiorrepelentes, Slit-1 y
Slit-2, parece controlar la correcta convergencia de
los axones olfativos en el BO [46,47], probablemente
vía sus receptores Robo-1 y Robo-2 (expresados en
un gradiente dorsomedial-ventrolateral decreciente
a través del EO). Efectivamente, la mutación de Slit-1
o Robo-2 produce alteraciones regionales lateroventrales en la proyección del nervio olfativo hacia el
BO, mientras que una única mutación de los otros
miembros de estas familias sólo genera anomalías
menores, quizá por el alto grado de redundancia [46].
En Drosophila, se ha propuesto que el código de
los tres robos controla el patrón de las proyecciones
de las NSO a los glomérulos del lóbulo olfativo [48].
No obstante, Robo-2 no se expresa en mamíferos
en todas las NSO, células en las que todavía no se
ha identificado un código combinatorio de robos.
Además, aunque Robo-1 no se exprese en las NSO,
su knock-out, junto con el de Robo-2, presenta un
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fenotipo más pronunciado [46,47]. Por todo ello,
estos datos sugieren un papel relevante del sistema
Slit/Robo en la guía de los axones de los nervios olfativos durante el desarrollo.
Dos morfógenos potentes activos durante el desarrollo temprano del sistema nervioso central, el
ácido retinoico y Wnt5a, se ha visto recientemente
que son necesarios para que las NSO extiendan sus
axones. Mientras que el primero de ambos fue estudiado en ratones a E14 [43], el segundo se vio que
desempeña un papel relevante en este proceso desde los primeros instantes de la formación del nervio
olfativo (E10 en ratón) hasta el adulto [49]. La lista
se ve completada con dos factores de crecimiento
que, recientemente, se ha demostrado que actúan
en el desarrollo del nervio olfativo; mientras que el
factor de crecimiento hepatocítico (HGF) es necesario para el correcto crecimiento de los axones de
las NSO [50], el factor de crecimiento de insulina
(IGF) atrae selectivamente los axones de las NSO
para que inerven el BO lateral [51].
Cabe destacar que otras moléculas que desempeñan importantes papeles en migración celular y
guía axonal durante el desarrollo del sistema nervioso central para nada afectan a la formación del
nervio olfativo, como la quimiocina CXCR4/SDF-1
[52]. Sin embargo, esta molécula modula la migración de las neuronas GnRH+ a lo largo de este nervio hacia el hipotálamo [53]. Éste es el caso también
de la Netrina-1, la cual está expresada en el sistema
olfativo durante el desarrollo y que, a través de
DCC, influye en la migración de neuronas GnRH+
por el nervio olfativo, aunque aún no se haya demostrado fehacientemente que esta molécula dirija
el crecimiento de axones de las NSO [44].
Finalmente, la activación de los receptores de
ácido γ-aminobutírico del tipo B por las NSO desde
E16 hasta la etapa adulta es un mecanismo fisiológico que limita el crecimiento de los axones de las
NSO según entran al BO, y son activados por el ácido γ-aminobutírico liberado por las células yuxtaglomerulares [54].
Los datos más relevantes relacionados con este
epígrafe se resumen en la figura 2.
Actividad y desarrollo del nervio olfativo
El papel de la actividad de los conos de crecimiento
axonales en la guía axonal ha sido estudiado extensivamente en la última década [55]. Respecto al nervio olfativo, su actividad ha sido analizada a través
de distintos ratones knock-out, aunque aún no se
han extraído conclusiones claras [20]. En este sentido, los axones de las NSO convergen normalmente
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Mecanismos celulares y moleculares que dirigen el desarrollo de las conexiones sinápticas desde la nariz a la corteza
en los glomérulos del BO en el ratón mutante knockout de la subunidad GOLF de la proteína G [56], habiendo sido observados defectos menores sólo cuando la subunidad activable por nucleótidos cíclicos
(OCN1) se encuentra delecionada [57]. La deleción
de la adenililciclasa 3 (Ac3) produce una desorganización mayor de la convergencia de las fibras olfativas hacia los glomérulos correctos [58,59], lo que
podría deberse, al menos en parte, al hecho de que
las NSO de estos ratones Ac3–/– carezcan de Neuropilina-1 [58]. Del mismo modo, se ha propuesto que
se requiere la producción de AMPc debido a la activación de la proteína G para la convergencia de
NSO hacia el glomérulo apropiado [20].
Otros efectos contradictorios se han apreciado
bloqueando distintos canales de potasio. Mientras
que la mutación defectiva del canal de potasio
shaker, Kvi.3, apenas altera la precisión de la proyección de las NSO al BO durante el desarrollo
postnatal (P0-P41), pero no su guía hacia el BO [60],
la sobreexpresión del canal rectificativo de corriente interna Kir2.1 bloquea la actividad del receptor
olfativo y produce importantes cambios en el desarrollo del nervio olfativo [61].
Aunque la supervivencia de las NSO dependa de
su actividad, no parece ser determinante el papel
que las NSO podrían cumplir en el desarrollo del
nervio olfativo y en la correcta navegación de los
axones de las NSO hacia los glomérulos del BO
[19]. Este hecho es más marcado cuando consideramos que la actividad de las NSO regula la expresión
de receptores del tipo Neuropilina-1 (tanto mediante niveles citoplasmáticos de AMPc como por
la deleción de Ac3) [58,62]. Efectivamente, los cambios en la expresión de los receptores de moléculas
quimiotrópicas o de contacto podrían ser una respuesta directa a los cambios observados en modelos carentes de esta actividad.
Finalmente, las neuronas postsinápticas (células
mitrales y empenachadas en los glomérulos del BO)
controlan la convergencia del nervio olfativo dentro
del BO. Aunque la transactivación no produce una
alteración significativa de dicha convergencia, la
distribución de las aferencias a P2 se encuentra altamente alterada cuando las neuronas postsinápticas
han sido selectivamente eliminadas [63]. Tal efecto
concuerda con el hipotético papel que podrían cumplir las señales extrínsecas, producidas por las dianas postsinápticas de las NSO, en la regulación de
sus tasas de supervivencia y renovación [64]. En resumen, a pesar de que la actividad de las NSO no
resulta relevante en la navegación de sus axones hacia el BO, sí interviene en la precisión final de sus
conexiones una vez que se encuentran dentro de él.
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Del bulbo olfativo a la corteza olfativa:
mecanismos celulares y moleculares que
guían a los axones del tracto olfativo lateral
Los axones emitidos por las neuronas de proyección
del BO conforman el TOL, el único camino seguido
por dichos axones para extenderse y, posteriormente, colonizar las distintas estructuras de la corteza
olfativa primaria. Se ha sugerido que los axones provenientes de las neuronas de proyección del bulbo
olfativo accesorio se encuentran en las capas internas del TOL y que actúan como pioneros para los
demás axones que provienen de las neuronas de proyección del BO. Este hecho ha sido demostrado mediante estudios de seguimiento temporal de la formación del TOL y de la llegada de los axones de las
células mitrales a sus áreas de destino dentro de la
corteza olfativa [1,2]. No obstante, los axones de las
células mitrales forman el TOL en ausencia de los
axones del bulbo olfativo accesorio [1,2], lo que sugiere que las señales intrínsecas desde el telencéfalo
tienen más probabilidades de dirigir la formación del
TOL [1,2]. Asimismo, en ausencia de Pax6, un factor
de transcripción implicado en el desarrollo inicial
del BO y del TOL, el BO remanente se desarrolla sin
evaginarse macroscópicamente, lo que se ha denominado estructura similar al BO, debido a la falta de
migración de los precursores de células mitrales [1,2].
En estos mutantes hemos demostrado que los
axones de las células mitrales y empenachadas proyectan hacia la corteza olfativa y forman el TOL [1,2].
Por el contrario, cuando se elimina la expresión de
Lhx2, una estructura similar al BO se forma, pero
los axones de sus neuronas de proyección no consiguen formar un TOL y apenas alcanzan unas pocas
micras de longitud [65]. Así, los mecanismos internos desde las neuronas de proyección del BO parecen permitir el crecimiento de sus axones y, consecuentemente, las señales externas presentes en el
medio deben orientar este crecimiento hacia las distintas células diana de la corteza olfativa primaria.
Mecanismos mediados por contacto
en el desarrollo del tracto olfativo lateral
Obviamente, las moléculas de adhesión celular son
buenas candidatas para actuar como señales mediadas por contacto en la formación del TOL, como,
por ejemplo, moléculas como NCAMH, OCAM,
Nr-CAM y PSA-NCAM [1,2]. Estas moléculas podrían actuar conjuntamente, además de combinarse con TAG-1/axonina-1, aunque hasta la fecha no
se ha descrito su implicación directa en la formación del TOL. Otras moléculas de contacto relevan-
483
D. García-González, et al
Figura 2. En esta figura se representa un esquema global del sistema olfativo de roedores, del que se extraen tres vistas (sagital, horizontal y transversal) de distintas estructuras. A) La corriente migratoria rostral
une la ZSV, un importante nicho neurogénico en roedores adultos, y el BO, el lugar de destino donde se integran las interneuronas generadas en la ZSV. En el panel izquierdo se ilustra dicha integración en las capas
del BO, así como una visión simplificada de la circuitería del BO; B) Esquema general de las conexiones del
sistema olfativo principal y del sistema olfativo accesorio. Los axones de las NSO del EO proyectan al BO,
constituyendo el nervio olfativo. Las neuronas de proyección desde el BO envían sus axones, constituyendo
el tracto olfativo lateral, a distintas estructuras de la corteza olfativa, entre las que se encuentra el nervio olfativo accesorio, el tubérculo olfativo, la corteza piriforme, el complejo amigdalino, la corteza entorrinal y el
núcleo del tracto olfativo lateral (nTOL, asterisco rojo). Las neuronas de la corteza olfativa proyectan de
vuelta al BO. Las principales conexiones intracorticales se dirigen a zonas del neocórtex, hipocampo, tálamo
e hipotálamo, así como a la corteza olfativa contralateral, formando la comisura anterior (no representada). Los axones generados del órgano vomeronasal forman el nervio vomeronasal y proyectan al bulbo olfativo accesorio. Las neuronas de proyección de éste mandan sus axones (como parte del TOL) al NOA y al
nTOL (asterisco azul), y al complejo amigdalino, mientras que los axones de las neuronas de estas tres estructuras corticales proyectan de vuelta al bulbo olfativo accesorio. Las proyecciones desde la corteza olfativa
accesoria alcanzan el hipotálamo y el nTOL; C) Esquema detallado de las conexiones axonales entre el EO y
el BO. Las NSO del EO emiten sus axones, que son quimioatraídos por moléculas que se encuentran fuera
del BO, como factor de crecimiento hepatocítico, AR y Wnt5a, hacia su destino final, los glomérulos del BO.
Una vez en el BO, una combinación de otras moléculas quimioatrayentes (IGF-1) y quimiorrepelentes (Sema3A, Slit-1 y Slit-2) regulará la correcta llegada de cada axón a su glomérulo adecuado. A: complejo amigdalino; BO: bulbo olfativo; BOA: bulbo olfativo accesorio; CE: corteza entorrinal; CMR: corriente migratoria
rostral; CP: corteza piriforme; EO: epitelio olfativo; NO: nervio olfativo; NOA: nervio olfativo accesorio; NSO:
neurona sensitiva olfativa; OVN: órgano vomeronasal; TOL: tracto olfativo lateral; ZSV: zona subventricular.
tes, como la reelina o miembros del sistema de señalización efrina/Eph, no parecen participar en la
formación/guía del TOL [1,2]. También hemos mostrado que distintos componentes de la matriz extracelular, como la laminina, la fibronectina y la Anosmina-1, promueven un diferente grado de crecimiento axonal de neuronas mitrales in vitro [66].
Finalmente, la falta de la semaforina anclada a la
membrana GPI (Sema7A) conduce a un crecimiento rostrocaudal de axones del TOL, a pesar de que
no se encuentren orientados y sus colaterales no se
formen correctamente [67].
Un mecanismo singular mediado por contacto se
ha propuesto como guía de axones de células mitrales y empenachadas, las llamadas células guidepost,
específicas del TOL en el marco general del sistema
olfativo [68]. Tales células son identificables con el
anticuerpo monoclonal lot1, como un subgrupo de
neuronas de generación temprana formadas exclusivamente en el neocórtex y que migran a su posición
en el telencéfalo basal cuando acompañan al TOL
[69]. Las células positivas a lot1 parecen formar un
área de restricción en la corteza olfativa que los axones del TOL no consiguen superar [69]. Así, estas
células lot1+ podrían producir factores que atraigan
o den soporte al crecimiento axonal [69]. No obstante, el auténtico papel fisiológico que las células guidepost lot1+ desempeñan en el desarrollo del TOL debe
dilucidarse, puesto que su bloqueo con el anticuerpo
lot1 no altera la formación del TOL en cultivos organotípicos [69]. Además, en el ratón knock-out, para
el factor de transcripción Lhx2 se producen defectos
graves en la localización de las células lot1+ en el telencéfalo basal (junto con la práctica ausencia del
TOL, véase más arriba), debiéndose tanto a la propia
mutación de Lhx2 como, indirectamente, a las moléculas secretadas Netrina-1 y Sema3F. Estas dos moléculas quimiotrópicas determinan la posición fisiológica de las células lot1 positivas en el cerebro, aunque en sus respectivos mutantes el TOL se forma sin
mayores problemas [65,70,71]. Por lo tanto, teniendo
en cuenta la poca heterogeneidad esperada en la
proyección del TOL en relación con el nervio olfativo, parece más probable que tales mecanismos mediados por contacto contribuyan menos a la formación del primer tracto que en el caso del nervio olfativo [72,73]. En la figura 3 se incluyen los mecanismos revisados en este epígrafe más importantes.
Moléculas secretadas implicadas en
la formación del tracto olfativo lateral
Estudios de guía axonal de neuronas de proyección
del BO dieron lugar a la primera descripción de un
484
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Mecanismos celulares y moleculares que dirigen el desarrollo de las conexiones sinápticas desde la nariz a la corteza
efecto quimiorrepelente en el sistema nervioso central de mamíferos, repulsión ejercida por el septo
del cerebro anterior [74]. A partir de ese momento,
se asumió la relevancia de las moléculas secretadas
para la formación del TOL, aunque se desconoce la
naturaleza de la molécula responsable de este efecto [74]. El primer quimiorrepelente candidato identificado por los axones del TOL fue Slit-2, cuyo origen sugerido fue el septo; Slit-2 actúa a través de su
receptor funcional Robo-1 y es el dominio N-terminal el fragmento activo de la proteína [47]. Al
cabo de los años en los que el efecto de Slit permanecía confuso, estudios in vivo del mutante heterocigoto y, en especial, de los dobles mutantes de
Slit-1 y Slit-2 demostraron sustanciales alteraciones
en la formación del TOL (Slit-1−/−; Slit-2−/−), incluyendo el cruzamiento contralateral de algunos axones. Estas alteraciones son menos importantes
cuando sólo falta Slit-2 (Slit-1+/−; Slit-2−/−), caso en
el que ningún axón del TOL cruza al hemisferio contralateral [75]. Cabe destacar que el doble mutante
para los ligandos (Slit-1−/−; Slit-2−/−) muestra unos
rasgos fenotípicos más marcados que el doble mutante de sus receptores robo (Robo1−/−; Robo2−/−), y
que en ninguno de los dobles mutantes se ve afectado el crecimiento axonal a lo largo del eje rostrocaudal [75]. Estos datos tal vez reflejen la implicación de otros factores en el crecimiento y guía de
los axones de proyección del BO, tal y como se sugirió anteriormente [1,2], y limitan las observaciones previas que apuntaban a que los Slit afectarían
no sólo direccionalmente, sino también a otros aspectos del crecimiento axonal, como la elongación
y la ramificación [1,2].
Los receptores funcionales de otras moléculas
quimiotrópicas relevantes, como los receptores para
la familia de las netrinas (DCC o Unc5H3) y los de
las semaforinas secretadas de la clase Semaforina-3
(Neuropilina-1 y -2), se encuentran muy expresados por las neuronas de proyección del BO y los
axones del TOL [1]. No obstante, ni las netrinas
(Netrina-1 secretada y las ancladas a la membrana
celular Netrina-G1) ni algunas de las semaforinas
secretadas (incluyendo la Sema3A, el quimiorrepelente más potente) influyen en el crecimiento de
axones del BO [35,45,71]. Dicha falta de capacidad
de la Sema3A de afectar al crecimento axonal se ve
reforzada por la falta de alteraciones del TOL en
desarrollo en el ratón defectivo de su único receptor funcional conocido, Neuropilina-1. Sin embargo, hemos demostrado que los axones del TOL responden selectivamente a otras dos semaforinas secretadas: mientras que la Sema3F repele los axones
del TOL e impide que invadan la placa cortical y la
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Figura 3. Moléculas de guía del crecimiento axonal desde las neuronas de proyección del bulbo olfativo.
Las secciones horizontal (a) y coronal (b) del cerebro en etapa embrionaria muestran las estructuras olfativas. Diferentes moléculas quimiorrepelentes impiden que los axones del tracto olfativo lateral entren
en distintas estructuras (septo, eminencia ganglionar y placa cortical), llevándolos a ocupar una posición
en la superficie de la vesícula telencefálica. BO: bulbo olfativo; CO: corteza olfativa; EG: eminencia ganglionar; EO: epitelio olfativo; PC: placa cortical; S: septo; TOL: tracto olfativo lateral.
a
b
eminencia ganglionar, por el contrario, la Sema3B
atrae a los axones del TOL y los mantiene en la superficie del telencéfalo basal [76]. En ese mismo
trabajo, probamos que el epitelio olfativo secreta un
factor quimiorrepelente para los axones del BO y
sugerimos que la Sema3F podría ser responsable de
este efecto [76]. Además, encontramos que el fragmento procesado difusible N-terminal de Anosmina-1 promueve el crecimiento y atrae los axones del
BO, y que esta molécula se produce fisiológicamente por la diana de estos axones del BO, la corteza
olfativa [66].
Las señales secretadas con una función importante en la formación del TOL se representan en la
figura 3.
Colonización de la corteza olfativa por los axones
del tracto olfativo lateral: moléculas implicadas
en la formación de las colaterales axónicas
Una vez que el TOL se ha formado correctamente,
estos axones primarios germinan y generan colate-
485
D. García-González, et al
rales axónicas que proyectan a sus neuronas diana
dentro de distintas regiones de lo que se conoce
como corteza olfativa [66,69]. Esta estrategia de
dispersión es utilizada por los axones en crecimiento para invadir sus áreas de destino en todo el sistema nervioso en desarrollo, y es el único modo fisiológico para las células mitrales y empenachadas
para proyectar a neuronas específicas de la corteza
olfativa [69]. Después de un período de espera (un
día aproximadamente) en el que los axones primarios del TOL no germinan [69], las colaterales comienzan a formarse en un orden preciso, siguiendo
un gradiente rostrocaudal en la rata y otro caudorrostral en el ratón [1,2]. Así, las primeras colaterales del TOL colonizan la amígdala a E15,5 y, un día
después, hacen lo propio en la corteza piriforme y
las regiones más rostrales de la corteza olfativa en
el ratón [1,2]. Es un hecho ampliamente aceptado
que las mismas señales implicadas en el proceso de
navegación y de crecimiento del axón también podrían ser responsables de la colaterización. Por ejemplo, un conocido quimiorrepelente en la guía axonal,
como Slit-2, parece regular positivamente la ramificación axonal sensorial [69]. Sin embargo, este caso
podría ser excepcional, ya que también se ha sugerido que las señales que inducen ramificación de
colaterales axonales difieren de aquellas involucradas en la guía axonal [69].
Las señales fisiológicas que dirigen la ramificación/colateralización todavía no se encuentran bien
definidas y, en el caso de las colaterales axonales del
TOL, pocos estudios se han llevado a cabo hasta la
fecha. Por ejemplo, ni las células lot1+ ni las Slit
(Slit-1 y Slit-2 por separado o en conjunto) parecen
estar relacionadas con procesos de ramificación de
colaterales de células de la capa mitral del BO [69,
75]. Sin embargo, identificamos la Anosmina-1 (ausente en el síndrome de Kallmann, que cursa anosmia junto con hipogonadismo hipogonadotrópico)
como una proteína directamente implicada en la
formación de estas colaterales del TOL [66], función
que hemos corroborado recientemente en otras
neuronas de proyección, las células de Purkinje del
cerebelo, cuyos axones también emiten colaterales
en un preciso lapso de tiempo [77]. Después de un
prolongado período de espera, posiblemente con el
fin de facilitar la neutralización de inhibidores de la
ramificación de colaterales [78], la Anosmina-1 aumenta el número de ramificaciones axonales, sin
que por ello se vea afectado el crecimiento de axones primarios del BO. Resulta interesante que, como
se mencionó más arriba, la Anosmina-1 parece
contribuir a la orientación del crecimiento de axones primarios del BO en etapas tempranas del de-
486
sarrollo (en rata, a E15), pero sin desencadenar procesos de sprouting [66]. Junto con la Anosmina-1, la
Sema7A es otra señal relevante que se encuentra
implicada en la emisión de colaterales de axones del
TOL [67]. De un modo significativo, y aunque las
neurotrofinas sean moléculas prometedoras involucradas en la formación de colaterales, no se ha visto
que influyan en dicho proceso en el TOL [69]. En la
figura 3 se refleja el papel de ambas, Anosmina-1 y
Sema7A, en la formación de colaterales del TOL.
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How is the sense of smell connected? Cellular and molecular mechanisms guiding the development
of the synaptic connections from the nose to the cortex (I)
Summary. The physiological particularities that occur during the development of the olfactory system make it one of the
most fascinating parts of the central nervous system and one of models that has been most widely studied in order to
understand the mechanisms related with axonal growth and guidance towards the right targets. A variety of mechanisms
are known, some mediated by contact (laminins, cell adhesion molecules, ephrins, etc.) and others that are secreted
(semaphorins, slits, growth factors, etc.), to play diverse roles in establishing the synaptic interactions among the olfactory
epithelium, the olfactory bulb and the olfactory cortex. In relation to this, other specific mechanisms for this system have
also been proposed, including the incredible family of close to 1000 different olfactory receptors. In recent years, different
reviews have focused on the partial elements of this system, especially on the mechanisms involved in the formation of
the olfactory nerve. However, no detailed review of those related with the development of the connections between the
different olfactory structures (epithelium, bulb and cortex) has been put forward to date. In this first part of the review, we
address this topic from the following perspective: the different cellular and molecular mechanisms that guide the
formation of the olfactory nerve and the lateral olfactory tract.
Key words. Accessory olfactory system. Axonal guidance. Cell adhesion molecules. Chemotropism. Interneuron migration.
Olfactory bulb. Olfactory cortex.
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www.neurologia.com Rev Neurol 2011; 52 (8): 477-488