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Abstract and Figures

The olfactory sensory system is a unique model for the research of guidance and connectivity of growing axons. During development, the olfactory epithelium, the olfactory bulb and the olfactory cortex differentiate several cell types and extend projection axons. Because there is a close relationship between these three structures, we ask the question as to whether establishment of the olfactory bulb central projections can proceed independently of the arrival of the olfactory sensory afferents. This raises another more general question: is establishment of afferent connections necessary to awake a developmental program in target cells?. The initial establishment of the olfactory bulb central projections occurs independently of the arrival of the olfactory axons from the olfactory epithelium, which reinforces the idea that cortical regions are already patterned before migration of newborn neurons, at least for the olfactory bulb and maybe for the entire brain. This implies a strict intrinsic molecular control of the distinct olfactory structures, independent one of each other. How then, do axonal projections find their correct way within the brain? Contact-mediated mechanisms and chemotropic molecules cooperate to fix their position in the telencephalon, prevent bulbar axons from invading structures other than the olfactory cortex and, at the same time, stimulate axonal branching in an orchestra of both, attractive/promoting and repulsive/inhibiting signals. At later stages, the mature appearance of the olfactory bulb will be completed and refined.
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REV NEUROL 2004; 39 (2): 146-155146
INTRODUCCIÓN
Un tema importante en Neurobiología es el efecto que la lle-
gada de las fibras aferentes a sus dianas apropiadas tiene en el
desarrollo del sistema nervioso central (SNC), algo que hasta
la fecha no se ha aclarado completamente. ¿Dicha llegada de-
sencadena el programa de desarrollo de las células en el sitio
que empieza a inervarse o la llegada de las fibras aferentes
sirve, simplemente, para refinar los últimos procesos del des-
arrollo? Con el fin de aclarar esta cuestión, se han propuesto
dos teorías para explicar los mecanismos subyacentes a la
formación del cerebro. Según el esquema de Rakic [1], existe
un ‘protomapa’, de forma que las diferentes regiones cerebra-
les se preespecifican antes de la migración de las células pos-
mitóticas (control intrínseco). Al predeterminarse, la especifi-
cación se dará por determinantes moleculares [2]. En este
modelo, la llegada de los axones aferentes serviría, meramen-
te, para modificar y refinar el protomapa. La segunda teoría
es la del ‘protocórtex’, según la cual las diferentes áreas cor-
ticales provienen de una corteza indiferenciada que se espe-
cializa como resultado de las aferencias talámicas (control ex-
trínseco) [3].
Actualmente, es de gran interés el hecho de que una o
ambas hipótesis puedan también operar durante el desarrollo
del sistema olfativo. La naturaleza de las interacciones entre el
epitelio olfativo (EO), el bulbo olfativo (BO) y la corteza olfati-
va (CO) en las etapas precoces del desarrollo es un campo abo-
nado, a día de hoy, para el estudio [4,5]. Con la idea de ahondar
en el conocimiento de los mecanismos involucrados en la espe-
cificación y el desarrollo del sistema olfativo, esta revisión
trata de los diferentes estudios de Neurobiología del desarrollo.
Nuestros estudios en el ratón mutante para Pax6 nos llevaron a
la conclusión de que el inicio de la formación de las proyeccio-
nes centrales del BO puede ocurrir de forma completamente
independiente a la llegada de los axones sensoriales desde el
EO [6]. Como observaremos en este trabajo, los más recientes
estudios parecen corroborar nuestra hipótesis. Este hecho nos
lleva a plantear si, durante el desarrollo, podemos considerar al
BO como un dominio independiente, lo que corroboraría la hi-
pótesis del protomapa. Asimismo, discutiremos también la or-
questa molecular involucrada en la formación de las proyeccio-
nes desde el BO hasta la CO.
BREVE REPASO DEL SISTEMA OLFATIVO
El establecimiento de los circuitos básicos en el sistema olfati-
vo de los mamíferos comienza con las neuronas sensoriales
olfativas (NSO), o receptores olfativos, localizados en el EO,
estructura que se desarrolla durante la embriogénesis a partir
de la placoda olfativa. Los axones de las NSO proyectan al BO,
donde establecen contactos sinápticos con las dendritas de las
células mitrales y empenachadas y, junto con las células peri-
glomerulares, dan lugar a los glomérulos del BO [7,8]. Cada
uno de los NSO –en roedores hay aproximadamente cinco
millones, distribuidos por toda la cavidad nasal– expresa, sola-
mente, uno de los 1.000-1.300 genes específicos de los recep-
tores olfativos que se conocen [9,10]. Las NSO que expresan
un mismo gen de receptor odorífero se distribuyen de forma
aleatoria dentro de la cavidad nasal; pero, sus axones proyectan
de forma selectiva sobre 1-4 glomérulos de los aproximada-
mente 2.000 que existen en el BO –para una revisión, ver
Mombaerts et al [11]–. Los axones primarios de las neuronas
PROTOCORTEX VERSUS PROTOMAP: A PERSPECTIVE FROM THE OLFACTORY BULB
Summary. Introduction and aim. The olfactory sensory system is a unique model for the research of guidance and connectivity
of growing axons. During development, the olfactory epithelium, the olfactory bulb and the olfactory cortex differentiate
several cell types and extend projection axons. Because there is a close relationship between these three structures, we ask the
question as to whether establishment of the olfactory bulb central projections can proceed independently of the arrival of the
olfactory sensory afferents. This raises another more general question: is establishment of afferent connections necessary to
awake a developmental program in target cells? Development. The initial establishment of the olfactory bulb central
projections occurs independently of the arrival of the olfactory axons from the olfactory epithelium, which reinforces the idea
that cortical regions are already patterned before migration of newborn neurons, at least for the olfactory bulb and maybe for
the entire brain. This implies a strict intrinsic molecular control of the distinct olfactory structures, independent one of each
other. Conclusions. How then, do axonal projections find their correct way within the brain? Contact-mediated mechanisms
and chemotropic molecules cooperate to fix their position in the telencephalon, prevent bulbar axons from invading structures
other than the olfactory cortex and, at the same time, stimulate axonal branching in an orchestra of both, attractive/promoting
and repulsive/inhibiting signals. At later stages, the mature appearance of the olfactory bulb will be completed and refined.
[REV NEUROL 2004; 39: 146-55]
Key words. Axonal guidance. Development. Mutants. Neurogenesis. Olfaction. Telencephalon.
Recibido: 16.06.04. Aceptado tras revisión externa sin modificaciones: 17.06.04.
a
Instituto Cajal-CSIC. Madrid.
b
Instituto de Neurociencias de Castilla y
León (INCyL). Universidad de Salamanca. Salamanca, España.
Correspondencia: Dra. Laura López-Mascaraque. Instituto Cajal-CSIC. Avda.
Dr. Arce, 37. E-28002 Madrid. Fax: +34 915 854 754. E-mail: mascaraque@
cajal.csic.es
Proyecto de LLM: BFI 2003-00139 (MCYT). Proyectos de F de C: PI020768
(FIS, Ministerio de Sanidad), SA053/04 (Junta de Castilla y León) y Funda-
ció la Caixa.
2004, REVISTA DE NEUROLOGÍA
Protocórtex frente a protomapa:
una perspectiva desde el bulbo olfativo
L. López-Mascaraque
a
, F. de Castro
b
REVISIONES EN NEUROCIENCIA. EDITOR: J.V. SÁNCHEZ-ANDRES
SISTEMA OLFATIVO Y PROYECCIONES AXONALES
REV NEUROL 2004; 39 (2): 146-155 147
de proyección del BO (mitrales y empenachadas), crecen pre-
ferentemente a lo largo de una zona muy estrecha del telencé-
falo ventrolateral, adyacente a la superficie pial. En esa región
forman el tracto olfativo lateral (TOL) [7,12-17]. De los axo-
nes del TOL se ramifican colaterales que colonizan, en un pre-
ciso orden rostrocaudal, las regiones diana de la CO: el núcleo
olfativo anterior, el córtex piriforme, el tubérculo olfativo, la
corteza entorrinal y diversos núcleos amigdalinos [14,15,18-
20]. Estudios recientes han demostrado que existe un mapa
topográfico en las aferencias del BO a la CO. Las aferencias de
las NSO que expresan el mismo receptor odorífero proyectan
–vía BO– a grupos neuronas diana en la corteza. Esta disposi-
ción permite integrar cada uno de los códigos específicos de
los receptores odoríferos, lo que deja generar sensaciones odo-
ríferas complejas y, subsiguientemente, transmitir dicha infor-
mación a otras áreas corticales [21]. La laminación definitiva
del BO depende de la llegada de las células que migran de for-
ma tangencial desde la zona subventricular del cerebro ante-
rior, las interneuronas prospectivas del BO –revisado por Gold-
man y Luskin [22].
Después de esta breve introducción al sistema olfativo, los
dos esquemas de desarrollo que hemos citado anteriormente
podrían sugerir muy diferentes rutas. Mientras la teoría del pro-
tomapa predice una organización inicial, simultánea e indepen-
diente, del EO, del BO y de la CO, la teoría del protocórtex pre-
dice que el desarrollo del BO sería un proceso secundario, indi-
recto, dependiente de la llegada de los axones de las NSO desde
el EO. Según este modelo, la llegada subsiguiente de las fibras
del TOL al córtex induciría, necesariamente, la diferenciación
celular en esta estructura.
INFLUENCIAS MUTUAS ENTRE EL EPITELIO
OLFATIVO Y EL BULBO OLFATIVO
La influencia del EO en poner en marcha el desarrollo del BO
es algo demostrado en anfibios [23-26]. Sin embargo, esta rela-
ción se estudia con detenimiento en mamíferos en los últimos
años. Por ejemplo, se ha observado que la llegada de los axones
olfativos parece tener una influencia dramática en la cinética de
las células y en la velocidad de diferenciación de los neuroblas-
tos en el anlaje del BO [27]. Se ha sugerido, también, que inter-
acciones de tipo inductivo del mesénquima frontonasal son
esenciales para la morfogénesis tanto del EO como del BO
[5,28]. De cualquier forma, estos trabajos no se han extendido a
etapas tempranas de la formación de la placoda olfativa [5].
En las etapas iniciales del desarrollo, la parte dorsorrostral
del telencéfalo de los mamíferos se especifica ya como primor-
dio del BO [16,29-31]. Dicho anlaje expresa Pax-6 [31,32]. La
llegada de los axones de las NSO induce la evaginación macros-
cópica del BO y su laminación prenatal; pero, en ningún caso
induce la neurogénesis de las neuronas mitrales [31,33,34]. De
hecho, las células mitrales se han generado antes de la llegada
de los citados axones [16,35]. Las NSO empiezan a expresar la
OMP (del inglés, olfactory marker protein) en E16, en la rata
(E14-14,5 en el ratón), bastante después de la formación de las
primeras conexiones entre el EO y el BO [36-39]. Pero, no se
determina el papel inductivo que desempeña el BO en este tipo
de maduración. En el mutante homocigoto para el gen Pax-6
comienza a desarrollarse un BO defectivo –denominado OBLS,
del inglés olfactory bulb like structure– en la vesícula telencefá-
lica, en total ausencia de un nervio olfativo (NO) [6,31]. La
posición ectópica del OBLS se debe a un fallo en la migración
celular, no a un tipo de neurogénesis ectópica, ya que las células
que remedan el fenotipo mitral en el OBLS se generan en el
mismo lugar que en ratones control (telencéfalo dorsorrostral:
31), emiten sus axones y forman un tracto reminiscente del TOL
(ver más detalles más adelante). Estas observaciones sugieren
que la hipótesis del protomapa debería aplicarse a los eventos
más tempranos del desarrollo del sistema olfativo –p. ej., la neu-
rogénesis de las células mitrales y empenachadas en el primor-
dio del BO y la neurogénesis de las NSO en la placoda olfativa,
con sus respectivas proyecciones eferentes–. En cualquier caso,
múltiples interacciones inductivas tejido-tejido [5] se implicarí-
an en los eventos sucesivos que ocurren en el desarrollo –p. ej.,
la evaginación macroscópica y la formación de las capas en el
BO–. Esto se basa en que la neurogénesis esta desfasada entre
el BO y el EO: la producción de células mitrales se inicia en
E10-10,5 en el BO del ratón, mientras las NSO del EO se gene-
ran a partir de E9,5 en el EO del ratón (ratón: [6,39,40]; rata:
[33-36]) (Fig. 1). En las diferentes áreas de la CO, la neurogéne-
sis ocurre en una sucesión anteroposterior, y empieza bastante
antes de la llegada de los primeros axones procedentes de las
neuronas de proyección del BO [18,41] (Fig. 1). Recientemente,
se ha sugerido que los glomérulos supernumerarios del BO no se
estabilizan porque el número de axones aferentes escasea para
poder mantener una formación estable de los mismos. A esto se
le ha denominado ‘fenómeno de interdependencia’ entre los
axones de las NSO [42]. En la figura 1 mostramos un sumario
comparativo, entre el ratón y la rata, de la escala temporal de
generación de las neuronas y la elongación axonal, para los tres
compartimentos principales del sistema olfativo. En los ratones,
las primeras NSO se generan en E9, mientras los primeros axo-
nes de las NSO se diferencian en E9,5-E10,5. Estos axones no
Figura 1. Representación esquemática de la neurogénesis y formación
de axones en el sistema olfativo. La génesis de las NSO (óvalos) empieza
alrededor de E9-E9,5, la de las células mitrales (triángulos) alrededor de
E11 y en la corteza olfativa alrededor de E10 (rombos). La formación de los
axones de las células mitrales (E11,5) comienza antes de la llegada de
los axones del NO a la superficie telencefálica (E12). Las células mitrales
comienzan a emitir dendritas en el momento que los primeros axones
sensoriales entran en el BO (E13,5). Los axones del TOL forman colatera-
les que invaden sus dianas corticales en E14,5-15. La génesis neuronal en
los tres compartimentos del sistema olfativo empieza de forma indepen-
diente, presumiblemente debido a mecanismos de control interno (hipó-
tesis del protomapa). Todas las edades referidas en este pie de página
corresponden a ratón (ver equivalentes en la rata a la izquierda del esque-
ma). En la figura hemos referido datos de diferentes autores [6,16,27,33-40].
En una escala rata/ratón la fecha de detección del tapón vaginal en la
madre es E0. TOL: tracto olfativo lateral; BO: bulbo olfativo; NO: nervio ol-
fativo; NSO: neuronas sensoriales olfativas (modificado de [107]).
L. LÓPEZ-MASCARAQUE, ET AL
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alcanzan a la vesícula telencefálica/primordio del BO antes de
E11, medio día más tarde de que aparezcan las primeras células
mitrales (E10,5). Los primeros axones mitrales en abandonar el
BO se observan en E11,5 y empiezan a inervar la CO en E15,
bastante después de que se inicie la neurogénesis en el córtex pi-
riforme (E9,5-E11).
De acuerdo con la hipótesis del protocórtex, ¿podríamos
imaginar que el EO y el BO se desarrollan de forma indepen-
diente? La hipótesis del protocórtex se basa en una secuencia
de eventos, dentro de la que se adivina una especie de jerar-
quía. En esta jerarquía, el EO prevalecería sobre el BO: el EO
dictaría el desarrollo del BO desde el primer momento, tal y
como han sugerido algunos autores [26,27,43]. Pero, ninguno
de estos científicos ha propuesto que exista una relación simi-
lar entre el BO y el córtex olfativo, quizás por la existencia de
reconocidos estudios acerca del inicio de la neurogénesis en la
corteza [18,39,41]. ¿Acaso no debemos incluir estos experi-
mentos en el contexto del desarrollo del sistema nervioso o
cuando se trata de argüir a favor de una secuencia de eventos
entre el EO y el BO? Uno de los puntos de apoyo primordiales
de la hipótesis del protocórtex es el hecho de que la génesis de
las células mitrales empieza en E11 en el ratón [39], mientras
la rata comienza en E14 en el caso de La Mantia et al [27]. Si
nos basamos en la escala temporal que se representa en la figu-
ra 1, podríamos esperar que la producción de células mitrales
comenzase en E12,5 en la rata, y no en E14. Esto implica que
la edad en que estos autores consideran que los primeros axo-
nes de las NSO entran en la vesícula telencefálica, resulta que
ya ha comenzado la neurogénesis en el anlaje del BO. Así que,
la secuencia de eventos EO-BO propuesta sólo se basa en dife-
rencias en la forma de determinar las etapas del desarrollo
embrionario. Una independencia equivalente es la que se ob-
serva en el caso de la CO (Fig. 1), donde las neuronas cortica-
les se generan con bastante antelación a la llegada de los pri-
meros axones mitrales.
Déjenos el lector volver su atención hacia los resultados de
diferentes modelos experimentales en los que, bien el BO, bien
el EO, se han alterado. Las neuronas de proyección del BO
expresan fuertemente el homólogo en los mamíferos del gen
brachiury, que es el gen Tbr1. En mutantes nulos para Tbr1
sobreviven unas pocas células con fenotipo mitral, que no pro-
yectan al córtex olfativo (ver más adelante). Por el contrario, y
sin importar para ello la ausencia de sus dianas –las dendritas de
las células mitrales–, los axones de las NSO convergen normal-
mente en el BO, y forman estructuras esféricas que recuerdan a
los glomérulos [29] (Tabla). Paralelamente, en mutantes nulos
para los genes homeobox de mamífero, Dlx-1 y Dlx-2, se ha de-
mostrado la ausencia de interneuronas [29] (Tabla); sin embar-
go; los axones olfativos convergen para dar lugar a esferas glo-
merulares, lo que sugiere que éstas tampoco contribuyen de for-
ma significativa a la hora de determinar las dianas de las NSO
[29] (Tabla). Al contrario, en mutaciones nulas del gen homeo-
box Emx-2 –pero no en el Emx-1–, el NO no llega a alcanzar el
BO. Como resultado de ello, la capa de células mitrales se des-
organiza y, quizás sorprendentemente, se forma un TOL aparen-
temente normal [44] (Tabla). Una ausencia de laminación ca-
racterística del BO se observa en una mutación en el gen Dlx-5,
que provoca la falta de NSO que contacten con el OB [45]. En
el caso de ratones mutantes en el gen Mash-1, que se expresa en
progenitores neurales que igualmente carecen de la conexión
EO-BO [46,47], produce efectos similares a la mutación en el
gen Dlx-5, con inclusión de una drástica reducción en el núme-
ro de NSO. De hecho, para algunos autores, la especificación de
las células mitrales ocurriría de forma totalmente independiente
de la inervación por parte de los axones olfativos [31,45]. Los
datos obtenidos en los mutantes nulos de Pax-6, Tbr-1, Dlx-1,
Dlx-2, Dlx-5, Mash-1 y Emx-2 (Tabla) argumentan a favor del
establecimiento de un mapa topográfico de conexiones entre el
EO y el territorio presuntivo del OB, independientemente de la
presencia de neuronas de proyección e interneuronas y, eviden-
temente, de los posibles factores que ambas puedan aportar. En
cualquier caso, los datos del mutante de Emx-2 no sugieren que
los axones de las NSO ayuden a asegurar la disposición ordena-
da de las células mitrales, aunque la significación funcional de
este extremo no está clara. Un caso singular es el del receptor de
baja afinidad para neurotrofinas, p75NTR, que influye, de for-
ma indirecta en el crecimiento de los axones olfativos –en el
período posnatal temprano hay un crecimiento exuberante de
algunos axones de las NSO–, pero su convergencia en el BO es
normal y originan, transitoriamente, una laminación anormal en
la porción dorsocaudal del BO [48].
¿Qué ocurre tras la ablación genética o quirúrgica del EO?
La expresión de receptores odoríferos a cargo de las NSO es
completamente independiente del BO, ya sea en ausencia del
BO durante la embriogénesis [49] o durante la regeneración tras
la axotomía de las NSO [50,51]. La deprivación sensorial olfati-
va en neonatos, ya sea total o parcial –oclusión de las coanas
por electrocauterización–, aparentemente, no tiene efecto en el
número de NSO presentes en el EO [52] (Tabla). De forma
similar, y aunque la deprivación sensorial comporta una reduc-
ción del 25% en el tamaño del BO, las poblaciones celulares se
estructuran de forma correcta y en números normales [52-57]
(Tabla). Aún así, Meisami y Safari [58] dan testimonio de una
mayor pérdida en el número de células empenachadas que en el
de mitrales tras la deprivación olfativa. Ni el número ni el tama-
ño de los glomérulos parecen cambiar tras dicha manipulación,
pero observan un aumento de la razón células mitrales/células
granulares [52]. Es más, el patrón de reinervación que se obser-
va en las NSO generadas tras una deaferentación química glo-
bal es muy parecido a la topografía original [59]. En suma, la
oclusión de las narinas parece tener sus mayores efectos tem-
pranos tras el nacimiento, aunque hay que tener en cuenta que
dicho procedimiento es extremadamente difícil de llevar a cabo
antes del nacimiento y no se ha realizado en el embrión [26]. En
general, la deprivación se realizó en individuos posnatales/adul-
tos, cuando todas las conexiones entre el EO y el BO ya se han
establecido. En cualquier caso, se han observado cambios simi-
lares cuando la señalización odorífera se ha interrumpido gené-
ticamente antes de que se establezcan las citadas conexiones,
por ejemplo, en animales sin canales de compuerta de nucleóti-
dos cíclicos –G
(olf)
, la mayor subunidad α de la proteína G en
las NSO– [60,61] (Tabla) o sin OMP, que participa de la percep-
ción odorífera [62] (Tabla). Es más, algunas proyecciones olfa-
tivas periféricas se afectan en mutantes nulos para una subuni-
dad del canal de compuerta de nucleótidos cíclicos, lo que
sugiere que la navegación de estos axones se influye, al menos
en parte, por la actividad odorífera [63]. Esto es algo especial-
mente relevante para las células mitrales, cuya única respuesta a
la oclusión de las narinas se refiere al tamaño del perikarion y a
las sinapsis recíprocas entre células mitrales y granulares, mien-
tras que el área de sección del TOL sigue completamente nor-
mal [52]. No se observan cambios hipertróficos en las láminas
SISTEMA OLFATIVO Y PROYECCIONES AXONALES
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Tabla. Influencia del epitelio olfativo (EO) en el bulbo olfativo (BO). Aproximaciones experimentales que incluyen lesiones físicas, químicas o funciona-
les. Resultados de los diferentes modelos experimentales en los que se ha alterado el bulbo olfativo y/o el epitelio olfativo (modificado de [107]).
Animal NSO NO Convergencia Células mitrales/ Interneuronas TOL
NO en BO empenachadas del BO
Axotomía y destrucción química
Ablación de PO [24] Embriones de
Xenopus
ØØØ Ø ØØ
Axotomía (parcial) de NO [25] Embriones de
Xenopus
(50%) (50%) ? (50%) ? ?
Ablación de BO [50] Rata adulta N Ø Ø N N N
Ablación de BO [51] Pez gato joven N Ø Ø Ø Ø Ø
(regenerado) (regenerado)
Privación olfatoria total/parcial posnatal
Oclusión orificio nasal [54] Rata posnatal ? ? ? N N N
(BO pequeño) (BO pequeño)
Cierre orificio nasal: Ratón neonato N N N N N N
electrocauterización [52] (BO pequeño)
Privación de estímulo: Ratas P25 ? ? ? (40%) ? ?
cierre de un orificio nasal [54] (BO pequeño)
Cierre quirúrgico Ratas P1-P30 ? ? ? N N
del orificio nasal [56] (BO pequeño) (BO pequeño)
Denervación focal [55] Ratas P10 y P20 ? (focal) ? ?N
Lesión química [59] Ratón transgénico N N N N N ?
H-OMP-lacZ-6 (recuperado) (recuperado) (recuperado)
Deprivación funcional
G
olf
–/–
[61] Ratón neonato N* N N N ? ?
O
cng
-channel
–/–
[60] Ratón N
*
N N N (BO pequeño) N N
Mutagénesis gen OCNC [63] Ratón N* N N ? ? ?
(NOS inactivas)
Animales mutantes
Pax-6
–/–
[6] Embriones Ø Ø Ø Células similares Desorganizado N
de ratón
Sey
a mitrales en
OBLS
Emx2
–/–
[44] Embriones de ratón N? N? Ø Desorganizado N N
Xt
J –/–
[49] Embriones de ratón N N Ø Ø Ø Ø
(agénesis del BO)
Tbr1
–/–
[29] Embriones de ratón N N N Ø Desorganizado Ø
Dlx1
–/–
, Dlx2
–/–
[29] Embriones de ratón N N N N Ø ?
NCAM-180
–/–
[78] Embriones de ratón N N N N N N
(BO pequeño) (BO pequeño)
OMP
–/–
[62] Ratón posnatal N N N N N ?
p75NTR
–/–
[48] Embriones de ratón N N N N N N
y posnatales (BO evaginado) (BO evaginado)
Kall-1
[106] Humanos ? ? Ø (Aplasia/ (Aplasia/ Ø
hipoplasia BO) hipoplasia BO)
Dlx5
–/–
[45] Embriones de ratón No emiten Ø Ø Alteración en N
axones orientación (Desorganizado)
(EO pequeño)
Mash1
–/–
[46,47] Embriones de ratón Ø Ø Ø N N
(BO pequeño)
N: fenotipo/estructura normal. N*: fenotipo/estructura normal, pero sin respuesta a los olores. Ø: no formado/desaparecido. : aumento en el número de células.
: bajo número de células. ?: no descrito. TOL: tracto olfativo lateral; BO: bulbo olfativo; OBLS: olfactory bulb like structure; NO: nervio olfativo; NSO: neuronas
sensoriales olfativas.
L. LÓPEZ-MASCARAQUE, ET AL
REV NEUROL 2004; 39 (2): 146-155150
de los BO que no se han deprivado, lo que indica que no hay
cambios compensatorios tras la deprivación olfativa [52].
Resulta interesante que el bloqueo de la transducción odorí-
fera, ya sea por oclusión de las narinas, ya por ingeniería gené-
tica encaminada a la pérdida de receptores o de canales, no
afecta en ningún caso a la convergencia de los axones de las
NSO en el BO [60,61] (Tabla). Es más, la proyección desde el
EO se restaura tras la ablación genética, lo que sugiere que las
señales de posición involucradas en la formación del NO deben
persistir en el BO a lo largo de toda la vida del individuo [64].
Así, no parece que exista un putativo mecanismo ‘pionero’para
el resto de las fibras olfativas, aunque deberían hacerse estudios
de alta resolución de este aspecto [64,65]. En conjunto, esto
puede explicar el hecho de que las NSO que se generan de for-
ma continua a lo largo de la vida de un individuo establezcan las
conexiones correctas dentro del BO, también a todo lo largo de
la existencia del animal, y que el mapa de proyecciones olfati-
vas permanezca estable, sin que le afecte la mencionada renova-
ción constante en la población de NSO.
Es algo comúnmente aceptado que las diferentes mutacio-
nes del gen Pax-6, con inclusión de la mutación espontánea
denominada Small Eye [66,67], producen diferentes alteracio-
nes. Entre ellas, la ausencia de ojos y de estructuras nasales,
tales como el EO y el BO. Con la utilización de una batería de
marcadores moleculares región y campoespecíficos, un estudio
detenido de estos mutantes revela la presencia de un BO pros-
pectivo en la zona rostrolateral de la vesícula telencefálica,
denominada OBLS [6,31] (Tabla). Nuestros hallazgos sugieren
que la mutación en el gen Pax-6 trastorna el desarrollo anatómi-
co, sin alterar la diferenciación del BO y el inicio de la forma-
ción de su proyección central. Hasta la fecha, hemos sido inca-
paces de identificar un NO que entre en el OBLS de estos
mutantes [6]. Por desgracia, el mutante PCD –un ratón que, de
forma espontánea, tiene un déficit de células de Purkinje–, en el
que se ha demostrado una pérdida total de células mitrales, no
es un modelo complementario adecuado, ya que la pérdida de
células mitrales ocurre a los 2-4 meses de edad, mientras que las
células empenachadas permanecen normales. Además, el nú-
mero de células en el BO es normal, tanto en el caso del
embrión como en el adulto joven de los mutantes PCD [68]. En
cualquier caso, el grosor del TOL en los animales posnatales es
significativamente menor tras la pérdida de las células mitrales.
En suma, todos estos estudios demuestran que las células
del BO pueden sobrevivir sin EO; incluso pueden empezar a
diferenciarse sin la llegada de sus aferentes primarias. Es más,
las NSO son capaces de sobrevivir y de continuar con su cons-
tante reemplazo y regeneración axonal incluso en ausencia de
BO, aunque la velocidad del reemplazo puede afectarse. En
cualquier caso, ambas estructuras parecen ser independientes, la
una de la otra, para su respectiva supervivencia. Estas observa-
ciones no contradicen las realizadas por otros autores acerca de
la influencia de los axones de las NSO en etapas más tardías del
desarrollo del BO [16,23,27,38,57].
SEÑALES MOLECULARES QUE
GUÍAN LA FORMACIÓN DEL TOL
Si la formación de las distintas estructuras que componen el sis-
tema olfativo y sus conexiones axónicas progresan, inicialmen-
te, de forma independiente, la identificación de los factores que
controlan ambos procesos debería arrojar alguna luz sobre algu-
no de los puntos más controvertidos que revisamos con este tra-
bajo. Es posible que los axones de las neuronas de proyección
del BOA, localizados en las zonas más profundas del TOL, pue-
dan servir como axones pioneros para, subsiguientemente,
guiar los axones del BO. El proceso temporal de la formación
del TOL y de la llegada de los axones de las células mitrales a
sus dianas en la CO apoya esta idea [15,16,35]. Aunque no hay
que olvidar que, en ausencia de los axones del BOA, los de las
células mitrales del BO entran y forman un TOL [40]. Esta
observación parece excluir la idea de que las neuronas de pro-
yección del BOA envíen axones pioneros, sino que, más bien,
sugiere que hay señales intrínsecas del telencéfalo que serían
las responsables de la formación del TOL [6]. A continuación,
analizaremos en detalle dos de los mecanismos más plausibles.
Mecanismos por contacto
Las moléculas de adhesión celular son buenos candidatos para
ser señales por contacto válidas a la hora de formarse el TOL;
particularmente algunas, como NCAM-H [69], OCAM y Nr-
CAM. Estas últimas podrían actuar en conjunto o en combina-
ción con TAG-1/axonin-1 [70], aunque, hasta la fecha, ninguna
se ha implicado directamente en la formación del TOL. Tanto
laminina como –y aunque en menor medida– fibronectina pro-
mueven el crecimiento in vitro de los axones de las neuronas de
proyección del BO y también podrían tener un efecto relevante
in vivo [71]. Otras moléculas que actúan por contacto, tan rele-
vantes como la reelina o las ephrinas/Eph, no parece que des-
empeñen ningún papel en la formación del TOL [72,73]. La
Sema 7A –un miembro de la familia de las semaforinas que se
ancla a membrana por medio de un residuo GPI– se ha implica-
do en la formación del TOL y, aunque no influya en la orienta-
ción del crecimiento de los axones mitrales, ni tampoco en la
formación de sus colaterales, sí podría ser el primer factor invo-
lucrado, directamente, en el control del crecimiento en sentido
rostrocaudal de los axones del TOL [74]. También se ha pro-
puesto la existencia de ‘células de posta’(del inglés, guide-post
cells) para los axones de las células mitrales y empenachadas
[16]. Estas células se han identificado por medio del anticuerpo
monoclonal Lot1, como una subpoblación de neuronas de gene-
ración temprana que se forman, exclusivamente, en el neocórtex
y que, posteriormente, migran hasta alcanzar su posición final
en el telencéfalo basal, y enmarcan el área del TOL [75,76].
Estas células Lot1-positivas podrían producir factores que, a su
vez, atrajeran o promovieran el crecimiento axonal. Se ha suge-
rido que, en otras células de posta, laminina y fibronectina
pudieran ser sus efectores [77]. De hecho, las células Lot1-posi-
tivas parecen formar un límite en la mayoría de las estructuras
del sistema olfativo más allá del cual los axones del TOL no
pueden crecer [75]. Pero, la adición del Lot1 en cultivos orga-
notípicos no modifica la formación del TOL [75]. Dado el esca-
so grado de heterogeneidad esperado en el TOL en compara-
ción con el NO, parece más plausible que estos mecanismos
mediados por contacto contribuyesen menos a la formación del
TOL que en el caso del NO [65,78].
Factores secretables
Parece muy probable que factores secretables se involucren en
la formación del TOL [79]. El primero en identificarse, Slit-2,
podría producirse por el tabique del cerebro anterior y actuar a
través de uno de sus receptores naturales, Robo-1 [80-82]. Se-
gún ciertas evidencias, su papel en la formación del TOL no
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debería ser indispensable [40,76]. El grupo de Pini ha sugerido
que debe existir una molécula concurrente y diferente de Slit-2
que fuera, de hecho, la responsable de la actividad repelente del
tabique [83] (Fig. 2), aunque experimentos posteriores parecen
adjudicar ese papel al efecto coordinado y conjunto de Slit-1 y 2
[82]. Resulta interesante el hecho de que la doble mutación de
Slit-1 y Slit-2 produzca el desflecado de los axones del TOL,
que desaparecería como tal, y proyecte los axones mitrales a
regiones mucho más ventrales y menos laterales del córtex olfa-
tivo de lo que lo hacen en condiciones normales, inclusive inva-
diendo el tabique y llegando hasta casi la línea media, aunque
sin evidencias de que consigan atravesarla y proyectar al BO
contralateral [82]. Los axones del TOL responden también de
forma selectiva a algunas semaforinas secretadas. Sema 3F
repele los axones del TOL, evita que invadan la placa cortical y
la eminencia ganglionar, mientras que la Sema 3B atrae los axo-
nes del TOL, y los fuerza a permanecer en la superficie del
telencéfalo [17] (Fig. 2). Por su parte, otras semaforinas secreta-
das, como la Sema 3A, no parecen influir en absoluto en el cre-
cimiento de los axones del BO [17,80]. Resulta interesante que,
dentro del BO, algunas células y sus axones expresan Neuropi-
lina-1 y 2 [6,31,40,84], los receptores funcionales de la familia
de las semaforinas. En cualquier caso, los únicos mutantes
nulos analizados hasta la fecha, el mutante nulo para Sema 3A y
el de su receptor, Neuropilina-1, no muestran alteraciones signi-
ficativas en el desarrollo del TOL, aunque sí de otras estructuras
olfativas [85,86]. Los receptores de los diversos miembros de la
familia de las netrinas, tales como DCC o Unc5H3, se expresan
fuertemente en las células mitrales del BO durante el desarrollo
[87,88]; pero, ni Netrina-1 ni una forma secretada de Netrina-
G1 –una molécula de esta familia anclada a
membrana plasmática– ejercen efecto alguno
en el crecimiento de los axones del BO [17,
80,89].
Se ha sugerido que las células mitrales
que proyectan al córtex olfativo deberían esta-
blecer un mapa estereotópico de proyeccio-
nes, dependiendo de los receptores odoríferos
que proyectan, a su vez, a las células mitrales
[21]. De hecho, las NSO que expresan el
receptor odorífero I7 forman sinapsis con las
células mitrales que inervan el glomérulo I7 y
los axones de éstas, a su vez, deberían orde-
narse formando clusters sinápticos en el cór-
tex piriforme. Las colaterales axónicas se for-
man a partir de los axones primarios del TOL.
Este fenómeno es una estrategia muy extendi-
da entre los axones durante su período de
navegación para invadir sus regiones diana
durante el desarrollo del sistema nervioso
[90], amén de ser la única utilizada por las
células mitrales y las empenachadas del BO
para colonizar las regiones diana olfativas en
el córtex cerebral in vivo [91]. Se acepta gene-
ralmente que los mismos factores involucra-
dos en la orientación del crecimiento axonal
deberían ser los responsables de la formación
de colaterales axónicas y de guiarlas hasta las
neuronas adecuadas. Un ejemplo al respecto
lo tenemos en Slit-2, un quimiorrepelente para
axones bien conocido que parece ser un regu-
lador positivo de la formación de colaterales a partir de axones
de neuronas sensoriales [76,92], así como en las dendritas de
neuronas piramidales del córtex [93]. Por el contrario, otros
estudios sugieren que ambos procesos –inducción-orientación
del crecimiento de colaterales axónicas y navegación de los
axones– deberían gobernarse por factores diferentes [91]. Las
células lot1-positivas, que no parece que participen en la forma-
ción de colaterales de las células mitrales del BO, podrían
representar un ejemplo de ello [75]. La proteína Anosmina-1
–deficiente en el síndrome de Kallmann, asociación clínica de
anosmia e hipogonadismo hipogonadotrópico– parece involu-
crarse, directamente, en la formación de colaterales de las célu-
las mitrales durante el período del desarrollo en que el córtex
olfativo se coloniza por las primeras colaterales del TOL [71].
Tras una espera de unos dos días en el ratón [91], posiblemente
para facilitar la neutralización de factores inhibidores del creci-
miento axonal presentes en el córtex olfativo, tal y como sugie-
re el grupo de Fujisawa [75],Anosmina-1 promueve el fenóme-
no de sprouting axonal sin afectar el crecimiento de los axones
primarios (rata E17). Por el contrario, en etapas anteriores del
desarrollo (rata E15), Anosmina-1 contribuye a orientar el cre-
cimiento de los axones primarios del BO, pero no influye en el
sprouting [71]. Confirmando, de alguna forma, que las molécu-
las responsables de la formación de colaterales axónicos no tie-
nen forzosamente que ser las mismas que determinen el creci-
miento de sus axones primarios, los patrones de expresión de
las diferentes moléculas de la familia Slit no sugieren que éstas
puedan desempeñar algún papel en la formación de colaterales
a partir de los axones del TOL e invadir el córtex olfativo [94],
y tampoco in vivo o in vitro se tiene evidencia alguna de que los
Figura 2. Factores que orientan el crecimiento de los axones de las neuronas de proyección
del BO. Secciones horizontal (A) y coronal (B) de la cabeza, que muestran las estructuras olfa-
tivas y anexos. Las células mitrales y sus axones (TOL) se representan en forma de triángulos.
Diferentes factores quimiorrepelentes evitan que los axones del TOL invadan distintas estruc-
turas (
septum
, EG y PC) y los fuerzan a ocupar una posición en la superficie de la vesícula
telencefálica. A ello coadyuvan las células lot1 positivas (estrellas) y dos factores quimioatra-
yentes, la Sema 3B (secretada por los progenitores de los huesos del cráneo) y anosmina1
(producida por la CO). Esta última es fundamental para la formación de colaterales a partir de
los axones primarios del TOL (flechas en A), que invadirán sus dianas corticales (para detalles,
ver texto). BO: bulbo olfativo; CO: corteza olfativa; EG: eminencia ganglionar; EO: epitelio olfa-
tivo; PC: placa cortical (modificado de [107]).
a b
L. LÓPEZ-MASCARAQUE, ET AL
REV NEUROL 2004; 39 (2): 146-155152
Slit modulen realmente la formación de colaterales del TOL [82].
Tampoco las neurotrofinas se ha visto que influyan en la forma-
ción del TOL [95].
Tomado todo ello en conjunto, podría parecer que las seña-
les que guían el crecimiento de los axones del BO actúan en
cooperación: señales atrayentes y repelentes, probablemente de
acuerdo con algún tipo de jerarquía, tal y como se ha sugerido
[96]. Se destaca el hecho de que algunas de las moléculas que
no parecen relevantes a la hora de guiar los axones de las célu-
las mitrales del BO (Sema 3A, Netrina-1), lo sean para el creci-
miento de los axones de las NSO [86,97-99]. Así, parece que los
papeles desempeñados por estas moléculas durante el desarro-
llo del circuito olfativo deberían ser diversos y, por supuesto,
todavía existe la posibilidad de que factores que atraen a los
axones de las NSO, pero repelan los de las células mitrales,
puedan identificarse. Finalmente, debemos recordar que la
interacción de moléculas secretadas con componentes no difu-
sibles de la matriz extracelular podría tener importantes impli-
caciones funcionales para el establecimiento de una correcta
conectividad sináptica durante el desarrollo [40,71].
Tal y como se ha descrito, hace relativamente poco, parece
que los factores que guían los axones de las NSO hasta formar
las sinapsis correctas dentro del BO se preservan a lo largo de
toda la vida del animal [64,65]. Se destaca también el hecho de
que los factores involucrados en la formación del TOL se presen-
tan y expresan de forma correcta en estructuras del ratón mutan-
te Small Eye [6,31]. Esto explicaría que se forme una estructura
que recuerda al TOL en estos mutantes, a partir del ectópico y
malformado OBLS [6,31]. Estos estudios enfatizan la idea de
que el BO es independiente y, por tanto, la existencia de un pro-
tomapa durante el desarrollo temprano del sistema olfativo. En
cualquier caso, no debemos olvidar que, entre todas las señales
que hemos revisado en este trabajo, tanto para la neurogénesis de
las células mitrales del BO como para la formación inicial del
TOL, el papel de Tbr-1 parece crítico [29] (Tabla).
CONCLUSIONES
Tomando en consideración todos estos datos, concluimos que la
hipótesis del protomapa resulta más plausible que la teoría del
protocórtex a la hora de explicar el desarrollo del sistema olfati-
vo. Frente a un número creciente de estudios que así lo avalan,
apenas unos pocos trabajos soportan el modelo del protocórtex
para el desarrollo inicial. El BO se organiza de forma indepen-
diente con respecto a las proyecciones aferentes de las NSO o de
otras influencias externas y, todo ello, a partir de un foco de neu-
rogénesis en la zona más dorsorrostral del tubo neural, donde se
producen las primeras neuronas de proyección del mismo, las
células mitrales. En etapas posteriores, las señales derivadas de
las aferencias de las NSO y, eventualmente, también otro tipo de
señales contribuirían a conferir al BO su apariencia madura, tal
y como lo reconocemos en el adulto, con inclusión, por supues-
to, de la llegada de las interneuronas desde la zona subventricu-
lar del cerebro anterior, que derivan del telencéfalo ventral [100,
101]. En el mismo sentido, los estudios en el mutante Pax-6 su-
gieren fuertemente que el establecimiento inicial de las proyec-
ciones centrales del BO ocurre de forma independiente de los
axones de las NSO que están de camino desde el EO. Estos
experimentos abren la posibilidad de identificar señales molecu-
lares intrínsecas que se requieren para la formación correcta de
las conexiones del sistema olfativo. Así, y aunque es algo que
todavía se ha estudiado relativamente poco, planteamos la hipó-
tesis de que el desarrollo independiente del córtex olfativo sigue
la predicción de la hipótesis del protomapa. De hecho, estudios
realizados en otras regiones del cerebro apoyan, fuertemente, la
idea de que un protomapa gobierna el desarrollo de la corteza
piriforme. Por ejemplo, en el mutante nulo para Gbx-2, la dife-
renciación talámica se interrumpe y los axones talámicos no
inervan el córtex. Aún así, muchos marcadores específicos de
regiones corticales se desarrollan normalmente, lo que sugiere
que son factores intrínsecos del neocórtex los responsables del
desarrollo de la corteza cerebral o, cuando menos, de la expre-
sión de todos estos marcadores [102,103]. Es más, si se expresa
de forma ectópica –en el telencéfalo posterior, antes de la llega-
da de los axones talámicos– el potente morfógeno Fgf8, provoca
que el córtex somatosensorial se duplica parcialmente y una
población adicional de axones talámicos se desarrolla para iner-
var estos barriles extra [2]. Asimismo, estudios del desarrollo de
embriones mutantes con una reducción en el nivel de Fgf8,
sugieren la posibilidad de que la regionalización molecular neo-
cortical y la llegada de aferentes talámicos son procesos inde-
pendientes durante el desarrollo embrionario [104].
Se ha observado también que factores intrínsecos del propio
córtex durante el desarrollo, como, por ejemplo, la llegada de
las fibras talamocorticales, controlan la especificación de dife-
rentes áreas corticales [105]. Una extensión de la hipótesis del
protomapa nos lleva a nosotros a considerar la expresión regio-
nal en otras estructuras telencefálicas en ausencia de sus aferen-
cias. En este contexto, se ha aceptado de forma general que el
desarrollo y diferenciación del BO depende de la llegada de los
axones sensoriales olfativos. Mutantes homocigotos Small Eye
no tienen estructuras nasales, con inclusión del EO, mientras
que tan sólo desarrollan un BO emergente, condicionado más
por un defecto en la migración de las neuronas posmitóticas que
por un fallo de neurogénesis en sí mismo. Por tanto, no parece
que el desarrollo inicial del BO sea dependiente de la llegada de
las fibras nerviosas desde las NSO.
Estos estudios sugieren que un análisis más profundo de la
formación del protomapa en las diferentes estructuras que com-
ponen el córtex olfativo podría resultar extremadamente intere-
sante y esclarecedor. Resultaría particularmente importante pa-
ra determinar las bases moleculares que gobiernan la diferen-
ciación de la corteza olfativa LOT specific synaptic clusters que
se han identificado recientemente por el grupo de Buck [21].
También podría ser interesante para llegar a ser capaces de ana-
lizar la relevancia de la llegada de las aferentes sensoriales a la
hora de refinar y ultimar el desarrollo del BO. Finalmente, un
modelo con un BO, pero sin TOL, podría resultar determinante
a la hora de clarificar la verdadera influencia que esta proyec-
ción tiene en el desarrollo de las estructuras corticales.
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SISTEMA OLFATIVO Y PROYECCIONES AXONALES
REV NEUROL 2004; 39 (2): 146-155 155
PROTOCÓRTEX VERSUS PROTOMAPA:
UMA PERSPECTIVA SOB O BOLBO OLFACTIVO
Resumo. Introdução e objectivo. O sistema olfactivo é um modelo
extraordinário para a investigação da guia e da conectividade do
crescimento axonal. Durante o desenvolvimento, o epitélio olfacti-
vo, o bolbo olfactivo e o córtex olfactivo diferenciam diversos tipos
celulares, estendendo as suas projecções axonais. Dado que existe
uma relação estreita entre estas três estruturas, colocámo-nos a
seguinte pergunta: é necessária a chegada das aferências senso-
riais procedentes do epitélio olfactivo para ter início a formação
das projecções centrais do bolbo olfactivo? Isto conduz-nos a ou-
tra pergunta ainda mais geral: é necessário o estabelecimento de
conexões aferentes para induzir-se um programa de desenvolvi-
mento nas células alvo? Desenvolvimento. O estabelecimento ini-
cial das projecções centrais do bolbo olfactivo ocorre independen-
temente da chegada do axónios do epitélio olfactivo, reforçando a
ideia de que as diferentes regiões corticais se predeterminam já
antes da migração de neurónios pós-mióticos, pelo menos no caso
do bolbo olfactivo. Isto envolve um controlo molecular, intrínseco
e restrito das distintas estruturas do sistema olfactivo. Conclusões.
Então, como encontram as projecções axoniais a sua localização
correcta dentro do cérebro? Mecanismos por contacto e moléculas
quimiotrópicas cooperam para fixar a sua posição no telencéfalo,
e evitam que os axónios do bolbo invadam outras estruturas dife-
rentes do córtex olfactivo. Ao mesmo tempo, estimulam a forma-
ção de colaterais axónicas, e uma orquestra de sinais atraente/
permissivas e repulsivas/inibidoras. Em etapas posteriores do des-
envolvimento, completar-se-á a aparência madura do bolbo olfac-
tivo. [REV NEUROL 2004; 39: 146-55]
Palavras chave. Desenvolvimento. Guia axonal. Mutantes. Neurogé-
nese. Olfacto. Telencéfalo.
PROTOCÓRTEX FRENTE A PROTOMAPA:
UNA PERSPECTIVA DESDE EL BULBO OLFATIVO
Resumen. Introducción y objetivo. El sistema olfativo es un mode-
lo extraordinario para la investigación de la guía y la conectividad
del crecimiento axonal. Durante el desarrollo, el epitelio olfativo,
el bulbo olfativo y la corteza olfativa diferencian varios tipos celu-
lares, y extienden sus proyecciones axonales. Dado que hay una
relación estrecha entre estas tres estructuras, nos hacemos la si-
guiente pregunta: ¿es necesaria la llegada de las aferencias senso-
riales procedentes del epitelio olfativo para iniciarse la formación
de las proyecciones centrales del bulbo olfativo? Esto nos lleva a
otra pregunta más general: ¿es necesario el establecimiento de
conexiones aferentes para inducirse un programa de desarrollo en
las células diana? Desarrollo. El establecimiento inicial de las pro-
yecciones centrales del bulbo olfativo ocurre independientemente
de la llegada de los axones del epitelio olfativo, lo que refuerza la
idea de que las diferentes regiones corticales se predeterminan ya
antes de la migración de neuronas posmitóticas, por lo menos en el
caso del bulbo olfativo. Esto implica un control molecular, intrínse-
co y estricto de las distintas estructuras del sistema olfativo. Con-
clusiones. Entonces, ¿cómo encuentran las proyecciones axonales
su correcta localización dentro del cerebro? Mecanismos por con-
tacto y moléculas quimiotrópicas cooperan para fijar su posición
en el telencéfalo, y evitan que los axones del bulbo invadan otras
estructuras diferentes a la corteza olfativa. Al mismo tiempo, esti-
mulan la formación de colaterales axónicas, en una orquesta de
señales atrayentes/permisivas y repulsivas/inhibidoras. En etapas
posteriores del desarrollo, se completará la apariencia madura del
bulbo olfativo. [REV NEUROL 2004; 39: 146-55]
Palabras clave. Desarrollo. Guía axonal. Mutantes. Neurogénesis.
Olfacción. Telencéfalo.
... On the other hand, the " protocortex " theory that this development depends that on extrinsic elements (O'Leary, 1989) and it predicts that the development of the OB would be a secondary process, dependent upon the arrival of the OSN fi bres from the olfactory epithelium, and the subsequent arrival of the LOT fi bres to the olfactory cortex would be necessary to induce its own differentiation. Few years ago, we extensively reviewed the bulk of the experimental data to suggest that the protomap hypothesis explains how the olfactory system develops, with the infl uence exerted by the olfactory epithelium on the OB only becoming relevant once the different structures (olfactory epithelium, OB, olfactory cortex) have been independently generated (López-Mascaraque and de Castro, , 2004). In this sense, the latest genetic approaches, such as mice with a " monoclonal nose " (in which more than 95% of the OSNs express a single odorant receptor), seem to confi rm that mechanisms intrinsic to the OB are responsible for building glomeruli (Fleischmann et al., 2008), while a member of the TGF family that is secreted by OSN axons selectively induces the outgrowth of the dendrites from mitral and tufted cells in the embryo (Tran et al., 2008). ...
... In this sense, the latest genetic approaches, such as mice with a " monoclonal nose " (in which more than 95% of the OSNs express a single odorant receptor), seem to confi rm that mechanisms intrinsic to the OB are responsible for building glomeruli (Fleischmann et al., 2008), while a member of the TGF family that is secreted by OSN axons selectively induces the outgrowth of the dendrites from mitral and tufted cells in the embryo (Tran et al., 2008). As fundamental tool for our purpose in the works cited above, we summarised the timescale of the main developmental events of the olfactory system, and scaled them for the rat and the mouse, in order to offer a template for ulterior research (López-Mascaraque and de Castro, , 2004 ). In brief, the chronology of the olfactory system development for the mouse would be considered as follows: ...
... In each epigraph of this review (the olfactory nerve, the LOT and the intracortical connexions), we will review what can be considered to be the " special " mechanisms, as well as all the contact-mediated (permissive and non-permissive) and long-range cues (attractants and repellents) relevant for these developmental processes (Lavigne and Goodman, 1996). Partial reviews with a similar goal to this work have been published elsewhere (López-Mascaraque and de Castro, , 2004 St John et al., 2002; Henion and Schwarting, 2007; Schwarting and Henion, 2008), but here we provide an updated review of the axon guidance that wires the entire olfactory system, from the olfactory epithelium to the OB, from the OB to the olfactory cortex and within the olfactory cortex. Finally, we will also offer a view of the molecular basis of the development of connectivity in the accessory olfactory system. ...
Article
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Within the central nervous system, the olfactory system fascinates by its developmental and physiological particularities, and is one of the most studied models to understand the mechanisms underlying the guidance of growing axons to their appropriate targets. A constellation of contact-mediated (laminins, CAMs, ephrins, etc.) and secreted mechanisms (semaphorins, slits, growth factors, etc.) are known to play different roles in the establishment of synaptic interactions between the olfactory epithelium, olfactory bulb (OB) and olfactory cortex. Specific mechanisms of this system (including the amazing family of about 1000 different olfactory receptors) have been also proposed. In the last years, different reviews have focused in partial sights, specially in the mechanisms involved in the formation of the olfactory nerve, but a detailed review of the mechanisms implicated in the development of the connections among the different olfactory structures (olfactory epithelium, OB, olfactory cortex) remains to be written. In the present work, we afford this systematic review: the different cellular and molecular mechanisms which rule the formation of the olfactory nerve, the lateral olfactory tract and the intracortical connections, as well as the few data available regarding the accessory olfactory system. These mechanisms are compared, and the implications of the differences and similarities discussed in this fundamental scenario of ontogeny.
... However, the constant exposure of OSNs to the environment may imply high death rates, requiring a continuous renewal to assure reliable connections to the OB, while interneuron generation and replacement in the OB may relate to distinct olfactory memory capabilities/requirements throughout life and would be necessary to balance death of OB interneurons (Grubb et al., 2008; Mouret et al., 2009). This kind of olfactory perpetuum mobile converging in the OB perhaps makes it the CNS structure with the highest and most complex degree of synaptic plasticity, a particularity that would be taken as a reflection of what has been suggested for the developing OB (López-Mascaraque and de Castro, 2002 de Castro, , 2004). ...
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The sense of smell plays a crucial role in the sensory world of animals. Two chemosensory systems have been traditionally thought to play-independent roles in mammalian olfaction. According to this, the main olfactory system (MOS) specializes in the detection of environmental odorants, while the vomeronasal system (VNS) senses pheromones and semiochemicals produced by individuals of the same or different species. Although both systems differ in their anatomy and function, recent evidence suggests they act synergistically in the perception of scents. These interactions include similar responses to some ligands, overlap of telencephalic connections and mutual influences in the regulation of olfactory-guided behavior. In the present work, we propose the idea that the relationships between systems observed at the organismic level result from a constant interaction during development and reflects a common history of ecological adaptations in evolution. We review the literature to illustrate examples of developmental and evolutionary processes that evidence these interactions and propose that future research integrating both systems may shed new light on the mechanisms of olfaction.
Article
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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.
Article
Different studies on normal and pathological ageing have shown structural and functional impairment by means of psychophysical measures, electrophysiological studies and brain imaging studies. Lower sensory perception from peripheral olfactory structures, together with alterations in the medulla oblongata and cortex, are the most frequent causes of olfactory impairment in ageing. To outline the most important tests that can be applied in clinical evaluation. The article begins by reviewing concepts involved in olfactory anatomy and physiology and then goes on to describe the different methods of examination and their applicability to medical diagnosis. Incorporating olfactory tests into clinical practice makes it possible to study the presence of sensory and cognitive impairment in greater depth, especially in ageing and in neurodegenerative diseases; this will allow a possible diagnosis to be expanded and completed.
Article
The mouse Mash-1 gene, like its Drosophila homologs of the achaete-scute complex (AS-C), encodes a transcription factor expressed in neural precursors. We created a null allele of this gene by homologous recombination in embryonic stem cells. Mice homozygous for the mutation die at birth with apparent breathing and feeding defects. The brain and spinal cord of the mutants appear normal, but their olfactory epithelium and sympathetic, parasympathetic, and enteric ganglia are severely affected. In the olfactory epithelium, neuronal progenitors die at an early stage, whereas the nonneuronal supporting cells are present. In sympathetic ganglia, the mutation arrests the development of neuronal precursors, preventing the generation of sympathetic neurons, but does not affect glial precursor cells. These observations suggest that Mash-1, like its Drosophila homologs of the AS-C, controls a basic operation in development of neuronal progenitors in distinct neural lineages.
Article
The neocortex is divided into multiple areas with specific architecture, molecular identity and pattern of connectivity with the dorsal thalamus. Gradients of transcription factor expression in the cortical primordium regulate molecular regionalization and potentially the patterning of thalamic projections. We show that reduction of Fgf8 levels in hypomorphic mouse mutants shifts early gradients of gene expression rostrally, thereby modifying the molecular identity of rostral cortical progenitors. This shift correlates with a reduction in the size of a molecularly defined rostral neocortical domain and a corresponding rostral expansion of more caudal regions. Despite these molecular changes, the topography of projections between the dorsal thalamus and rostral neocortex in mutant neonates appears the same as the topography of wild-type littermates. Overall, our study demonstrates the role of endogenous Fgf8 in regulating early gradients of transcription factors in cortical progenitor cells and in molecular regionalization of the cortical plate
Article
It has been reported that the arrival of primary olfactory axons is required to induce the development of the olfactory bulb (OB). On the other hand, the Sey Neu /Sey Neu mutant mouse (Small eye) has been previously described as a model for the absence of olfactory bulbs, owing to the lack of olfactory epithelium (OE). In the present report, we take advantage of this mutant and study a neural structure in the rostral pole of the telencephalon that phenotyp-ically resembles the prospective OB. We named this formation olfactory bulb-like structure (OBLS). We also report the occurrence, in the mutants, of small epithelial vesicles in the malformed craneofacial pits, resembling an atrophic OE, although a mature olfactory nerve was not identified. Axonal tracing, birthdating, immunohistochemistry, and in situ hybrid-ization using antibodies and probes expressed in the olfactory system, indicated that two distinct structures observed in the OBLS correspond to the main and accessory olfactory bulbs of the control mouse. We propose that the OBLS has developed independently of the external influences exerted by the olfactory nerve. The presence of a prospective OB in the mutants, without intervening olfactory fibers, suggests that intrinsic factors could define brain territories even in absence of the proper afferent innervation. The intrinsic mechanisms and environmental cues in the telencephalon could be sufficient to promote axonogenesis in the projection neurons of the OB and guide their axons in a lateral prospective tract, in the absence of olfactory axons.
Article
Kallmann syndrome is a developmental disease characterized by gonadotropin-releasing hormone (GnRH) deficiency and olfactory bulb hypoplasia. The gene underlying the X chromosome-linked form, KAL-1, has been identified for several years, yet the pathogenesis of the disease is not understood. By immunohistofluorescence and immunoelectron microscopy, we establish that the KAL-1 encoded protein, anosmin-1, is a transient and regionally restricted component of extracellular matrices during organogenesis in man. Anosmin-1 was detected in the basement membranes and/or interstitial matrices of various structures including bronchial tubes, mesonephric tubules and duct, branches of the ureteric bud, muscular walls of the digestive tract and larger blood vessels, precartilaginous models of skeletal pieces, muscle tendons, head mesenchymes, inner ear, and forebrain subregions. Our results suggest that this protein acts as a local, rather than a long-range, cue during organogenesis. In the olfactory system, anosmin-1 was detected from week 5 onward. The protein was restricted to the olfactory bulb presumptive region and later, to the primitive olfactory bulbs. We therefore suggest that the genetic defect underlying X-linked Kallmann syndrome disrupts the terminal navigation of the early olfactory axons or directly affects the initial steps of olfactory bulb differentiation. The mechanism of the GnRH deficiency is also discussed, relying on the evidence that anosmin-1 is present in the medial walls of the primitive cerebral hemispheres, along the rostro-caudal migratory pathway of the GnRH-synthesizing neurons, at 6 weeks. Finally, the present results strongly suggest that the renal aplasia observed in about one third of the affected individuals results from primary failure of the collecting duct system. Dev Dyn 1999;215:26–44. © 1999 Wiley-Liss, Inc.
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Article
Several studies have demonstrated that contact between the olfactory nerve and the forebrain is critical for normal olfactory bulb development. Removal of the embryonic olfactory placode results in a failure of the olfactory bulb to form, as well as causing other forebrain malformations. The current study introduces a technique that permits removal of contact between specific regions of the olfactory nerve and the bulb early in development, without causing damage to other brain regions, and without removing the peripheral olfactory organ. The manipulation, which involves insertion of a small Teflon chip between the cribriform plate and the bulb, prohibits growth of new axons into the “shadow” region behind the implant. Focal denervation of the olfactory bulb causes a decrease in bulb and layer sizes, a reduction in mitral cell number, and changes to bulb architecture. Using a battery of antibodies (OMP, MAP2, TuJ1, calretinin, calbindin, parvalbumin, TH, and GAD), we further demonstrated that 1) focal denervation alters the relationship between the olfactory nerve and the bulb, 2) the fine structure of cells in denervated regions is disrupted, and 3) cellular phenotypes change in response to loss of afferent contact. These results suggest that contact between the olfactory nerve and the bulb is important for maintaining bulb architecture and cell survival, structure, and phenotype. They also point to focal denervation as a useful technique for examining the role of neural contact in olfactory development and maintenance of the central nervous system. J. Comp. Neurol. 417:325–336, 2000. © 2000 Wiley-Liss, Inc.