1. Mecanismos evolutivos, genéticos y epigenéticos del dimorfismo sexual y la conducta sexual
Para que tenga lugar la reproducción no sólo es precisa la diferenciación del sistema reproductor sino también las conductas reproductoras específicas del macho y la hembra. La selección sexual favorece las conductas de machos y hembras que son eficaces para llevar a término la reproducción. En realidad, al seleccionar conductas se están seleccionando los cerebros que las controlan. Por tanto el cerebro del macho y la hembra en los mamíferos, y en ellos incluimos a nuestra especie, presenta dimorfismo sexual.
Hay dos mecanismos diferentes que controlan la diferenciación sexual del cerebro, uno es genético y el otro epigenético u hormonal. Históricamente, el mecanismo hormonal fue el primero en ser descrito y se abordará primero.
El sistema nervioso del embrión es inicialmente bipotencial y se diferencia en un sistema nervioso de macho o de hembra. A mediados del siglo pasado las ideas que se tenían sobre los procesos de masculinización y de feminización de los mamíferos procedían de los experimentos de Jost. Este investigador, como se estudió más arriba, después de castrar a embriones macho de conejo comprobó que estos desarrollaban un aparato reproductor femenino. De estos experimentos procede la idea de que cualquier embrión en ausencia de testosterona se diferencia como hembra (de manera «espontánea» se decía entonces).
Con la idea de Jost de fondo, un experimento sobre conducta sexual, realizado en el laboratorio de Young en la universidad de Kansas, a final de la década de los cincuenta (Phoenix y cols., 1959), arrojó datos que han guiado desde entonces la investigación sobre los mecanismos hormonales causantes de la diferenciación sexual del sistema nervioso y la conducta sexual. Estos investigadores inyectaron testosterona (androgenizaron) a hembras de cobaya durante la gestación y estudiaron la conducta sexual de sus crías hembra cuando alcanzaron la edad adulta.
Los embriones hembra, que recibieron testosterona mientras estaban en el útero, al nacer presentaron genitales externos masculinos. Cuando estas hembras alcanzaron la madurez, se las castró y se les administró estradiol y progesterona para mimetizar el estado hormonal del estro de una hembra normal. Las hembras androgenizadas durante la gestación prácticamente fueron incapaces de responder con lordosis a los estímulos del macho. Sin embargo, cuando se les inyectó testosterona, mostraron la conducta de monta típica del macho durante el apareamiento. La interpretación que realizó el grupo de Young fue la siguiente: durante la gestación la testosterona organiza o diferencia en el embrión las regiones cerebrales relacionadas con la conducta sexual y las masculiniza. Cuando el animal se desarrolla y es adulto, la testosterona activa esas regiones y se produce la conducta sexual propia del macho (aunque el individuo sea una hembra). Desde entonces, los conceptos de organización o diferenciación (durante la gestación) y activación (edad adulta) de las hormonas de las gónadas se convirtieron en un dogma presente hasta hoy día, aunque con matices. Los aspectos básicos del diseño experimental de Phoenix y cols se han utilizado para demostrar la función de los esteroides sexuales en la diferenciación sexual del cerebro.
Del experimento comentado anteriormente se desprende que en el proceso de diferenciación la presencia o ausencia de testosterona en época embrionaria es esencial. Es indiferente que geneticamente el individuo sea macho o hembra, si en el útero recibe testosterona el cerebro se masculiniza. En ausencia de testosterona el cerebro se feminiza. Esto lo hemos visto anteriormente con la diferenciación de los órganos reproductores internos y los genitales externos. No debería extrañar porque todos los tejidos del organismo comienzan a diferenciarse sexualmente en época embrionaria y el sistema nervioso es un tejido más.
Sin embargo, hay dimorfismos en el cerebro que tienen su origen directamente de la expresión genética dimorfa, puesto que todas las células del organismo, son XY en los machos y XX en las hembras. El diseño experimental de Phoenix y cols., produce inversión sexual de la conducta y el cerebro. No obstante, se advirtió que utilizando este diseño, o sus variantes, no se controlaba la diferenciación sexual de algunas regiones cerebrales y conductas dimorfas. También se detectó que durante la ontogenia del sistema nervioso se producían dimorfismos antes de que la gónada indiferenciada se diferenciase o cuando en la gónada ya diferenciada en testículo los niveles de testosterona eran todavía bajos para ser eficaces para la masculinización (Ngun y col., 2011). Entonces se comenzó a explorar la posibilidad de una acción directa de los genes debido a un efecto cromosómico por las diferencias cromosómicas entre los individuos XX y los XY.
En las células del sistema nervioso, como en cualquier célula del organismo, hay diferencias genéticas intrínsecas. Estas diferencias son el origen de algunos dimorfismos. Es sencillo de comprender por los siguientes hechos:
- sólo los machos tienen cromosoma Y;
- el cromosoma X del macho es matrilineal;
- la hembra hereda un cromosoma X del padre (patrilineal) y el otro de la madre (matrilineal);
- uno de los dos cromosomas X de la hembra tiene inhibida la expresión de su genes o parte de ellos y esta inhibición se piensa que es al azar; por tanto, con relación a los cromosomas X patrilineales y matrilineales la hembra presenta mosaicismo.
En consecuencia, la expresión genética de todos los tejidos es diferente en el macho y la hembra en relación a los genes X e Y, y los genes de otros cromosomas regulados por éstos.
Un ejemplo de control genético directo del dimorfismo sexual es la sustancia negra del mesencéfalo.
Esta región es dimorfa, en la rata el macho tiene veinte por ciento más de neuronas que expresan tirosina hidroxilasa (TH) que la hembra. En las neuronas de la sustancia negra de los roedores adultos y en los humanos se expresa el gen Sry. El grupo de Vilain (Dewing y cols., 2006) utilizó nucleótidos antisentido para reducir la expresión de Sry en el cerebro de ratas y ratones y comprobaron que al frenar la función de este gen se producía una disminución de la expresión de TH en las células dopaminergicas de la sustancia negra y el estriado. En este caso el dimorfismo parece que está bajo un control genético directo sin necesidad que intervengan las hormonas. El gen Sry actuaría incrementado el número de neuronas TH en el macho y ocasionaría el dimorfismo sexual en la sustancia negra. Por tanto, hay dos vías por las que se puede producir dimorfismo sexual en el sistema nervioso, una por mecanismos hormonales y otra por mecanismos genéticos directos.
2. Características del dimorfismo sexual en el cerebro
El cerebro durante su ontogenia (desarrollo) experimenta un proceso de diferenciación sexual que se asemeja mucho al descrito para el sistema reproductor.
¿Qué características morfológicas tiene el dimorfismo sexual del cerebro? Contestar a esta pregunta es esencial para comprender como se masculiniza o feminiza el cerebro y, en consecuencia, la conducta.
La primera característica del dimorfismo sexual del cerebro es que éste se presenta en dos patrones morfológicos opuestos. En un patrón el macho presenta mayores valores morfológicos (por ejemplo, volumen de un núcleo, número de neuronas, espinas dendríticas, etc.) que la hembra (patrón: m>h), en el otro patrón sucede lo contrario (h>m). También, en algunas regiones cerebrales, hay parámetros morfológicos en los que las hembras y machos no difieren. A estos últimos se les denomina isomorfos (m=h). En realidad, que un cerebro sea masculino o femenino depende de en qué regiones se sitúen los tres patrones. El control hormonal de la diferenciación varía si el patrón es m>h o h>m.
El NEST participa en el control de la conducta copulatoria del macho (Claro y col., 1995) y tiene varias regiones que se pueden distinguir con las tinciones adecuadas. Si se cuenta el número de neuronas en la región medial posterior (NESTmp) se observa que el patrón es m>h. Sin embargo, en la región lateral anterior (NESTla) el patrón es h>m (Guillamón y col., 1988). Esta distinción no es una curiosidad, es imprescindible para definir qué es masculino y femenino en el cerebro y los conceptos de masculinización, desmasculinización, feminización y desfeminización cerebral.
En el NESTmp lo masculino es tener más neuronas que la hembra mientras que en el NESTla lo masculino es tener menos neuronas que la hembra. Lo femenino en estas regiones del NEST es todo lo contrario. Como veremos más adelante la testosterona juega papel crucial en la formación de estos patrones durante el desarrollo.
La segunda característica del dimorfismo sexual del cerebro es que se observa en redes neurales complejas. El dimorfismo sexual no es un hallazgo ocasional que se hace en algún núcleo o en un parámetro morfológico suelto. El dimorfismo hay que verlo en el contexto de sistemas anatómico-funcionales con respecto a una conducta, por ejemplo, la conducta sexual. Que esto es así, se ha demostrado en el sistema olfativo (Guillamón y Segovia, 1996). El sistema olfativo de los mamíferos consiste en una red neural compleja que está implicada en el control tanto de la conducta sexual como de la parental. Se ha comprobado que en el Orden de los Roedores (Segovia y Guillamon, 1993), Lagomorfa (Segovia y col., 2006) e, incluso en la especie humana el sistema olfativo presenta dimorfismo sexual en las regiones cerebrales que lo componen (Garcia-Falgueras y col., 2006).
La mayoría de los mamíferos, no así los primates y los humanos, tienen dos sistemas olfativos. Uno de ellos capta las moléculas de bajo peso molecular en la mucosa olfativa y se denomina sistema olfativo principal (SOP) mientras que el segundo capta feromonas de alto peso molecular desde el órgano vomeronasal (OV) y se le denomina sistema olfativo accesorio o vomeronasal (SV). La red neural que compone el SV controla la conducta reproductora en la rata. El volumen y el número de neuronas de las estructuras del SV en esta especie es sexualmente dimorfo y sigue el patrón m>h excepto en el NESTla. En el conejo, estas dos medidas (volumen, número de neuronas) también muestra dimorfismo sexual, pero en esta especie se aprecian los dos patrones m>h y h>m según que estructura (Segovia y col., 2006). La diferencia entre ratas y conejos con respecto al dimorfismo sexual en el SV posiblemente se explica por las diferentes conductas que para el apareamiento y el cuidado de las crías muestran estas dos especies.
La especie humana carece de órgano vomeronasal y SV, el SOP asume las funciones del SV. También en nuestra especie el sistema olfativo es sexualmente dimorfo y muestra los patrones m>h y h>m (García-Falgueras y col., 2006).
La tercera característica del dimorfismo sexual es que la diferenciación sexual de las estructuras cerebrales se produce a lo largo de la ontogenia del sistema nervioso desde época embrionaria hasta la edad adulta.
La ontogenia del dimorfismo sexual se ha investigado en dos núcleos de la rata, el núcleo del tracto olfativo accesorio, relacionado con la conducta sexual y en el locus coeruleus, un núcleo que se sitúa en el tronco del encéfalo y envía proyecciones noradrenérgicas a todo el cerebro y, especialmente, al sistema olfativo. Los estudios de ontogenia nos muestran la película de cómo se organiza el dimorfismo sexual en el cerebro para los dos patrones de dimorfismo sexual.
3. Control hormonal del dimorfismo sexual en el cerebro
Para averiguar como se diferencian sexualmente algunas estructuras cerebrales se utilizan diseños experimentales inspirados en los trabajos del laboratorio de Young. En la rata, que es el modelo experimental más frecuente, el diseño consiste en administrar testosterona subcutáneamente a hembras recién nacidas, castrar machos recién nacidos y comparar la estructura que se quiere estudiar con sus controles (hembras inyectadas con el vehículo utilizado para disolver la hormona y machos con una incisión abdominal). Cuando los cuatro grupos se desarrollan y alcanzan la edad adulta se sacrifica a los animales y se estudian sus cerebros. Por tanto, lo que se observa es el efecto en la edad adulta del tratamiento hormonal inmediatamente después de nacer. Es decir, los efectos organizadores o diferenciadores de la testosterona o sus metabolitos sobre el cerebro (cuadro 3).
Cuadro 3. Metabolismo y mecanismos de acción de los esteroides gonadales
Las hormonas gonadales (de ovarios y testículos) son hormonas esteroideas que se forman a partir del colesterol. Las células de Leydig del testículo producen testosterona. Esta producción está regulada por la secreción de pulsos de hormona luteínica (HL) de la adenohipófisis. Las funciones de los andrógenos son: desarrollo y mantenimiento de los genitales internos y externos, la aparición de los caracteres sexuales secundarios, la estimulación de la espermatogénesis, el desarrollo y mantenimiento del sistema músculo-esquelético y de otros sistemas como el nervioso, la piel, el inmune y órganos como la piel, el hígado, etc. Las glándulas suprarrenales y los ovarios también producen pequeñas cantidades de andrógenos. El principal andrógeno es la testosterona. A partir de la testosterona se forman más andrógenos y, también estradiol en los folículos ováricos.
Los folículos ováricos producen estradiol y el cuerpo amarillo progesterona. El estradiol es preciso para el funcionamiento del sistema reproductor de la hembra, también actúa sobre otros sistemas como el nervioso, la piel, el músculo-esquelético, el digestivo y el inmune. Como tanto andrógenos como estrógenos proceden del colesterol su metabolismo está relacionado.
La testosterona circula en la sangre libre o unida a proteínas transportadoras y tiene dos mecanismos de acción. En el primero, que es lento, precisa al menos 30 minutos, se denomina de acción genómica. La testosterona atraviesa la membrana de las células, se une a receptores que pueden estar en el citoplasma y se transloca al núcleo con su receptor. El complejo hormonareceptor se une al ADN en la región del elemento de respuesta a la hormona, próximo al gen blanco de la hormona, y estimula la síntesis de nuevos ARNm que codifican para la formación de nuevas proteínas que serán las que producen los efectos hormonales en las células blanco.
En realidad, el elemento de respuesta del ADN proporciona dos medios sitios así que dos receptores ligando la hormona se fijan al elemento de respuesta. A esto se denomina dimerización, la dimerización dispara el proceso de transcripción.
El segundo mecanismo es muy rápido y se conoce como acción no genómica o de membrana, la hormona se une a receptores de la membrana celular y activa sistemas de segundo mensajero: la hormona se une al receptor de membrana causando la disociación de proteínas G, la subunidad alfa liberada activa a la adenilato ciclasa que activa la producción AMPc que, a su vez, activa la proteína cinasa, ésta fosforila (traslada fósforo) otras proteínas que son enzimas activándolas o desactivándolas. Tanto la testosterona como el estradiol y la progesterona y los metabolitos asociados utilizan los mecanismos antes descritos.
En el sistema nervioso las neuronas y las células de la glía tienen las enzimas necesarias para reducir o aromatizar la testosterona.
El control hormonal de los patrones morfológicos m>h y h>m es diferente. En el primero la testosterona promueve el desarrollo (incremento del volumen, número de neuronas, espinas dendríticas, etc.) mientras que en el segundo produce todo lo contrario (Guillamón y Segovia, 1996). La testosterona controla el patrón m>h en una serie de estructuras del SV de la rata. Cuando se castra al macho recién nacido disminuyen los parámetros morfológicos de esos núcleos de tal forma que no se diferencia de la hembra; por tanto, en ausencia de testosterona esos núcleos se feminizan. Todo lo contrario ocurre en la hembra androgenizada al nacer, se incrementan las medidas morfológicas hasta tal punto que no se diferencian de los machos, por tanto la hembra está masculinizada. En realidad, en algunos núcleos cerebrales se observa lo mismo que se ha descrito para la diferenciación del sistema reproductor interno y los genitales externos.
Si estudiamos la conducta sexual de machos feminizados y hembras androgenizadas se puede observar que estos machos no montan a hembras controles y, además, son capaces de mostrar el reflejo de lordosis (propio de la hembra) si se les administra estradiol y progesterona y se les estimulan los flancos. Por su parte, las hembras masculinizadas muestran capacidad para montar otras hembras y poca lordosis cuando se les inyecta estradiol y progesterona y se estimula sus flancos.
El mecanismo hormonal que produce el dimorfismo sexual en el cerebro de la rata tiene sus peculiaridades.
La testosterona es necesaria pero no produce la masculinización de forma directa. Ratas macho gonadectomizadas al nacer y a las que se administra estradiol ese mismo día, cuando son adultas se observa que sus estructura de patrón m>h son masculinas (Guillamón y Segovia, 1996). En consecuencia, la hormona que masculiniza estas estructuras cerebrales en la rata es el estradiol. La testosterona, por la acción de la enzima aromatasa se transforma en estradiol. Las células del núcleo-sexualmente-dimorfo del área preóptica y de otros núcleos del SV del macho contienen la enzima aromatasa. A este mecanismo de diferenciación sexual se le denomina hipótesis de la aromatización. En la especie humana parece que es la testosterona la que masculiniza el cerebro de forma directa porque se han descrito casos de varones con defectos en la enzima aromatasa que son heterosexuales (Carani y col., 1997). No obstante, no se puede descartar una acción de los andrógenos a través de los receptores de estrógenos, se ha visto que andrógenos reducidos a partir de la dihidrotestosterona (3 alfa y 3 beta dioles) tienen afinidad por los receptores de estrógenos.
Si en la rata el estradiol es la hormona que masculiniza al macho, ¿por qué no se masculinizan las hembras? Debido a la F-feto-proteína que produce en grandes cantidades los hepatocitos y otras células del embrión. Esta proteína disminuye después del nacimiento y apenas se detecta en edad adulta. La F-fetoproteína tiene gran afinidad para unirse al estradiol que proviene de la placenta. De esta forma impide su acción sobre el genoma y, en consecuencia, evita la masculinización del cerebro de la hembra. Esta hipótesis que avanzó la Dra. Toran Allerand en 1984 fue confirmada posteriormente por la Dra. Julie Bakker (Bakker y col., 2006) trabajando con ratones hembra mutantes que carecían del gen para producir F-fetoproteína (Afp -/- ). Estas hembras mostraron masculinización del cerebro y ausencia de conducta sexual femenina (desfeminización).
Para las estructuras sexualmente dimorfas de patrón h>m la testosterona ejerce una acción inhibitoria de su desarrollo. Si se gonadectomiza al macho recién nacido se observa un incremento del volumen y el número de neuronas en este tipo de patrón. Por el contrario, la androgenización neonatal de la hembra produce un decremento de las medidas morfológicas en las estructuras sexualmente dimorfas con patrón h>m. Siguiendo con el modelo de los roedores, parece que el estradiol procedente de la aromatización de la testosterona es el que impide el incremento de volumen y el número de neuronas en estas estructuras, no se sabe si es por que incide sobre la neurogenesis, la migración celular o la apoptosis. Lo que sí se conoce es que tiene una acción inhibitoria (Guillamón y Segovia, 1996). El núcleo anteroventral periventricular del ratón tiene un patrón h>m; la hembra posee más neuronas inmunoreactivas para la tirosina hidroxilasa que el macho. Como se ha visto anteriormente, las hembras Afp -/- tienen menos neuronas reactivas a la tirosina hidroxilasa que las hembras controles y no se diferencian de los machos con respecto a estas neuronas, lo que indica que se ha producido una masculinización de este núcleo por la acción inhibidora de la testosterona.
Si se comparan los mecanismos hormonales que controlan el dimorfismo sexual para los patrones m>h y h>m se observan que las mismas hormonas testosterona (o estradiol) producen efectos opuestos. La testosterona (o el estradiol) promueve el desarrollo en el patrón m>h mientras que lo impide en el patrón h>m.
¿Por qué se producen estos efectos opuestos? Porque las neuronas de los diferentes núcleos o regiones cerebrales básicamente difieren entre sí en la expresión de su aparato genético.
4. Dimorfismo sexual en el cerebro humano
El dimorfismo sexual en el cerebro humano presenta las mismas características que se han descrito anteriormente. Los estudios anatómicos post mortem y los in vivo de neuroimágen muestran dimorfismo sexual. Los estudios anatómicos son consistentes en señalar que el peso del cerebro del varón adulto es mayor que el de la mujer. El volumen intracraneal (VIC) es 10% mayor en el hombre que en la mujer desde la niñez. Las técnicas de neuroimágen permiten medir como compartimentos separados toda la sustancia gris, la sustancia blanca y el líquido cefalorraquídeo.
Todos estos parámetros son mayores en los hombres que en las mujeres (Ruigrok y col., 2014). Estas diferencias son explicables por las diferencias en el tamaño y el peso y muestran un patrón morfológico m>h. Sin embargo, cuando se pondera con relación al VIC, las mujeres muestran mayor porcentaje de sustancia gris que los hombres. Además, las mujeres tienen una corteza cerebral más gruesa que los hombres.
Luego también en nuestra especie se observan los patrones m>h y h>m.
Los estudios de neuroimágen funcional demuestran que la conectividad cerebral es diferente entre hombres y mujeres. Un trabajo reciente de Inglhalikar y cols (2014) señala que los hombres tienen mayor conectividad intra-hemisférica que las mujeres mientras que en éstas predomina la conectividad iter-hemisférica.