Bases biológicas del aprendizaje y la individualidad (III)

En esta tercera y última entrega de la serie de artículos sobre aprendizaje e individualidad, hacemos hincapié en los modelos celulares y moleculares, la función del hipocampo en el aprendizaje y el modelo molecular de potenciación a largo plazo.

Los experimentos de Kandel en Aplysia californica: modelo celular y molecular

Estudios recientemente descritos, llevados a cabo por el Dr. Kandel, entre otros, utilizaron el caracol de mar Aplysia como modelo experimental. Este organismo presenta un número relativamente bajo de neuronas y algunos reflejos simples muy bien caracterizados, hechos que lo califican como buen modelo para estudiar el aprendizaje y la respuesta condicionada.

Se determinó que el caracol en cuestión presentaba conductas de adaptación (memoria no asociativa) ya que la estimulación frecuente del mantle o del siphon (ver imagen adjunta), que en un principio provocaba el reflejo simple de la retracción de la branquia, dejaba de generar ningún tipo de respuesta como consecuencia de la adaptación de la vía estimulada y la pérdida de eficiencia a las sinapsis encargadas de esta retracción.

Posteriormente se estudio la respuesta del caracol a estímulos condicionados como modelo de aprendizaje asociativo. Se aplicó una ligera presión en el sifón seguida, de forma muy rápida, de un estímulo doloroso incondicionado que provocase una fuerte retracción de la branquia, en este caso un meneo violento de la cola; se apreció que el caracol, después de exponerse a unos pocos estímulos como el descrito, retraía profundamente la branquia aunque solo se le diese el estímulo condicionado.

Se observó también que además, el factor tiempo resultaba extremadamente importante, ya que, de hecho, si el intervalo que separaba los dos estímulos era superior a medio segundo, la respuesta generada era de menor intensidad o directamente no se producía.

Posteriores estudios proporcionaron una explicación a nivel celular y bioquímico de este proceso: el reflejo condicionado activa moto-neuronas de la branquia vía neuronas senstitivas. La respuesta de estas últimas está regulada por la acción de mecanismos pre-moduladores, la neurona reguladora de las cuáles está relacionada mediante sinapsis (en las que hace el papel de terminal “post”) con neuronas de la vía sensorial que enerva la cola (es decir, la que transmite el estímulo incondicionado).

Se apreció que la sinapsis pre-moduladora era de tipo serotonérgico; este neurotramsisor, una vez unido a su receptor específico, es capaz de desencadenar una cascada intracelular en la neurona post-sináptica que acaba causando una hiperfosforoilación inhibitoria de ciertos canales de potasio, hecho que reduce el flujo y activa la entrada de calcio para favorecer la fusión vesicular y así amplificar la estimulación de la vía central.

Se determinó que una activación independiente de serotonina del adenilato ciclasa (enzima implicada en la cascada de señalización antes mencionada) se podía producir a causa de la entrada de calcio asociada a la presinapsis de la vía condicionada. Este descubrimiento ayudó a entender por qué motivo la respuesta a un estímulo incondicionado era superior si antes se había producido uno condicionado.

Función del hipocampo en el aprendizaje

El hipocampo es una de las vías de salida más importantes procedentes de las áreas de recompensa y castigo del sistema límbico .Los estímulos sensitivos o los pensamientos que suscitan dolor o aversión activan los centros de castigo límbicos, y los estímulos o pensamientos que generan placer, felicidad o alguna sensación reconfortante activan los centros de recompensa límbicos. En conjunto determinan el estado de ánimo y las motivaciones de una persona. El hipocampo ha resultado ser especialmente importante para tomar decisiones alrededor de qué pensamientos reúnen un interés suficiente para merecer ser recordados en función de las respuestas de castigo o recompensa que han generado: aporta el impulso que produce la traducción de la memoria a corto plazo a memoria a largo plazo.

De hecho, el hipocampo surgió como una parte de la corteza olfatoria. En muchos animales inferiores, esta corteza tiene una función esencial para determinar si se debe ingerir un alimento concreto  si el olor de un objeto particular indica peligro, o si por contra, resulta atractivo des de el punto de vista sexual. Todo esto comporta que las decisiones que se toman en estos casos tienen una importancia vital. A lo largo del desarrollo evolutivo del encéfalo  se supone que el hipocampo acabó siendo un mecanismo neuronal crítico para la toma de decisiones  al determinar la trascendencia de las señales sensitivas recibidas. Una vez se estabilizó esta capacidad para tomar decisiones críticas, se cree que el resto del cerebro también empezó a utilizar el hipocampo con esta finalidad. Por lo tanto, si su actividad indica que una información neuronal tiene importancia, es probable que su contenido sea memorizado.

El hipocampo es, por lo tanto, muy importante en el aprendizaje y creación de memoria a largo plazo. No obstante, se ha observado que no es el hipocampo el lugar donde se almacena la memoria a largo plazo. El hipocampo actúa como depositario temporal de la misma, procesando la información adquirida durante períodos de semanas o meses, enviándola después a áreas importantes de la corteza cerebral para un almacenamiento más duradero. La memoria almacenada en la corteza ya no tendrá que pasar más por el hipocampo. Así que, se puede afirmar que la función de almacenamiento temporal del hipocampo es una de las etapas más importantes para la formación de memoria a largo plazo.

Modelo molecular de potenciación a largo plazo

La potenciación a largo plazo es un aumento duradero de la señal de transmisión entre dos neuronas que resulta de la estimulación sincrónica de las mismas.

Para conseguir que haya potenciación a largo plazo, hace falta que las neuronas pre y postsinápticas estén simultáneamente activadas. La potenciación a largo plazo se vale de una combinación de dos mecanismos de aprendizaje sinápticos independientes y asociativos: un mecanismo hebbiano de repector de NMDA y otro no hebbiano de facilitación presináptica dependiente de actividad.

Las principales vías neuronales del hipocampo utilizan glutamato de transmisor. Hay dos clases principales de receptores de glutamato: los NMDA y los no-NMDA. Estos últimos son los mayoritarios en la transmisión sináptica, porque el canal de iones asociada al receptor de NMDA suele estar bloqueado por iones de magnesio. Cuando la célula postináptica se despolariza, libera el receptor NMDA del bloqueo ejercido por el magnesio permitiendo la entrada de calcio y la consecuente activación de quinasas.

Respecto al mantenimiento de la potenciación a largo plazo, hay estudios que opinan que está relacionado con el aumento de transmisor que sale del terminal presináptico. Parece ser que la intervención directa del calcio, podría liberar un factor de plasticidad retrógrado desde la célula psotináptica. Este mensaje retrógrado llegaría a las terminaciones presinápticas para activar uno o más segundos mensajeros que fomentaría la liberación del transmisor y harían aumentar la transmisión sináptica. Algunos estudios demuestran que este mensajero retrógrado es el óxido nítrico.

¿Cambia nuestro cerebro cuando aprendemos y cuando olvidamos?

Mientras que la memoria a corto plazo implica cambios en la intensidad de las conexiones sinápticas existentes, en la memoria a largo plazo se ha observado que se produce una activación de genes que expresan nuevas proteínas, que desarrollan nuevas conexiones.

Así, los estímulos generadores de memoria a largo plazo comportan cambios anatómicos: el sistema nervioso puede ser un sistema dinámico que cambia con el tiempo según las experiencias de cada persona.

Se ha podido demostrar con estudios científicos que los mapas corticales (como podría ser el homúnculo sensorial) varían a lo largo del tiempo y que si se estimula alguna parte concreta de la corteza, esta puede desarrollarse más que las otras.