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El cerebro y la memoria
( Publicado en Revista Creces, Mayo 2003 )
Es el último organizador personal. Kate Bendall hurga en el cerebro para
descubrir como almacena y como entrega toda la información vital.
¿Cómo sabe usted quién es? ¿Será usted la misma persona mañana? ¿Cómo será en 30
años más? A lo largo de una vida el cerebro guarda una gran cantidad de información,
nombres, caras, visiones, sonidos y olores. Recuerda informaciones de hechos y sus
emociones asociadas a ellos, y nos ayuda a adquirir un sin número de capacidades, desde
amarrarnos los zapatos, hacer "cabritas" o manejar el automóvil. Todas estas memorias
definen que es lo que somos. Ellas estructuran nuestra personalidad, nos anclan en el
tiempo y nos dan una sensación de realidad. De algún modo, aun cuando las moléculas
que forman el cerebro se están constantemente reconstituyendo y reemplazándose,
nuestra memoria persiste, con lo que persiste el sentido de nosotros mismos. Algunas
veces por más de 80 años.
Si bien algunas memorias persisten, otras son muy falibles. En el torbellino de la vida
diaria, se olvida del cumpleaños de alguien, o se recuerda que no apagó la cocina después
de hacer las cabritas. Pero también es posible que algunas personas insistan que
recuerdan algo que no es posible que haya sucedido. En todo caso la capacidad de la
memoria humana es asombrosa. En el año 1973 un psicólogo canadiense llamado Lionel
Standing, mostró a voluntarios, una serie de fotografías de diferentes objetos, por cinco
segundos cada una. Tres días después le mostró a los mismos voluntarios fotografías
pareadas, una que habían visto antes y otra nueva, y les pidió que dijeran cuál de ellas les
era familiar. Standing incrementó el número de fotografías mostradas a cada persona
hasta una cantidad increíble de 10.000 y aun así ellos manejaban la identidad de la que
habían visto antes con muy pocas equivocaciones. Aunque este experimento medía la
capacidad de reconocer algo que se les había puesto enfrente (lo que es menos desafiante
que recordar algo sin una señal externa), los resultados demuestran que algunos aspectos
de la memoria humana parece no tener límites.
El mecanismo de cómo nuestro cerebro realiza esta proeza puede investigarse en varios
niveles diferentes. Esto incluye estudios de cómo el comportamiento cambia con
experiencias e investigaciones de actividad neutral, en particular, cambios en las "sinapsis"
que conectan eléctricamente las células nerviosas en el cerebro. En los últimos años, en la
medida que vamos aprendiendo, hemos comenzado a comprender los complejos
mecanismos moleculares que se desarrollan dentro de la célula.
En el hecho hay muchos sistemas de memoria, cada uno de los cuales tiene objetivos
diferentes. Las dos principales categorías son la memoria a largo y corto plazo. En los
humanos la "memoria a corto plazo" es a menudo referida como "memoria de trabajo" y
mantiene por segundos en la mente, nueva información en forma activa y consciente. Para
producir memoria de trabajo, se coordinan diferentes partes del cerebro, bajo la
supervisión de la corteza frontal. Ella es confiable, pero su capacidad es muy limitada. Se
puede mantener entre cinco a nueve ítems, como por ejemplo los dígitos de los números
de un teléfono. Tiene tres componentes principales: el ritmo fonológico, el bosquejo visuoespacial y el sistema ejecutivo central.
Usted usa el "ritmo fonológico" para hablarse silenciosamente a sí mismo y es también
importante para aprender nuevas palabras. En contraste, usted usa el "bosquejo visuo-
espacial" para manipular imágenes en sus ojos mentales. El "sistema ejecutivo central"
controla la conciencia de los ítems mantenidos en la memoria de trabajo, y coordina
información de los otros dos componentes. Es vital para actividades que necesitan
planificación y toma de decisiones, como por ejemplo, jugar ajedrez u organizar un
horario. En las personas con Alzheimer, el sistema ejecutivo central está dañado
gravemente.
¿ Qué hay acerca de la memoria a largo plazo? Hay varios tipos, cada una sirviendo
diferentes funciones y localizadas en diferentes áreas del cerebro. Las dos categorías
mayores son memorias que conciernen el "conociendo esto" y aquellas que nos dicen
"cómo" (ver figura 2). La primera se llama "memoria declarativa" e incluye el recuerdo de
hechos, lugares, eventos etc. La segunda, "memoria de procedimiento" que nos permite
desarrollar capacidades como andar en bicicleta o tocar guitarra. El aprender estas
capacidades requiere de extensas repeticiones, y una vez que se aprenden, difícilmente se
olvidan. Un adulto que no ha andado en bicicleta desde su juventud, fácilmente lo puede
volver a hacer sin necesidad de un segundo aprendizaje. En contraste, como lo saben muy
bien los estudiantes, los hechos son demasiado fácil de olvidar.
La memoria declarativa se subdivide en memoria semántica y memoria episódica. La
"memoria semántica" es una gran bodega de almacenamiento de ítems como palabras,
objetos, conceptos, lugares y personas. Es fundamental para producir y entender el
lenguaje, como también para leer y escribir. Los pacientes que muestran una pérdida
selectiva de la memoria semántica, conocida como demencia semántica, nos han
proporcionado importantes informaciones acerca de cómo ella está organizada. El tipo de
errores que ellos cometen muestran que la memoria semántica es un poco cómo un
sistema de archivo que nos permite recuperar información eficientemente. Así por
ejemplo, pueden llamar a una rata o a un perro, pero no pueden llamar a un auto o a un
teléfono celular, aun cuando en alguna forma, como el tamaño, una rata puede verse más
como un teléfono celular que como un perro. Esto muestra que los objetos animados o
inanimados se almacenan en categorías separadas, pero el contenido de ambas puede
mezclarse.
La "memoria episódica" se refiere a hechos acontecidos en su historia de vida personal
que usted puede conscientemente recordar y experimentarlos en su mente. A menudo se
describe como sistema fotográfico instantáneo, porque los acontecimientos suceden sólo
una vez y la memoria tiene que crearse en un momento. Por otra parte los hechos pueden
reafirmarse por repetición. La memoria episódica puede mantenerse por la mayor parte de
su vida. En estudios de pacientes con demencia se muestra que los acontecimientos
recientes probablemente no se almacenan en la misma área del cerebro que los
acontecimientos distanciados. Así por ejemplo, personas con Alzheimer tienden a olvidar
acontecimientos recientes mientras que sus recuerdos de la juventud están relativamente
bien preservados. Los pacientes con demencia semántica también sufren daño de su
memoria episódica, pero la característica es al revés: generalmente recuerdan
acontecimientos de los pasados dos años, pero pierden su memoria de juventud.
La memoria de episodios recientes se almacena en el "hipocampo" pero ellos con el
tiempo, posiblemente durante el sueño, ellos son reordenados y gradualmente se
transfieren a las áreas de evolución más reciente, (capas externas de la corteza), llamadas
"neo-corteza". Las características de la pérdida de la memoria en diferentes tipos de
demencia coinciden con este enfoque: en el Alzheimer el hipocampo se destruye
progresivamente y con ello la capacidad de almacenar memoria reciente, mientras que en
la demencia semántica el principal sitio del daño está en la neo-corteza.
Las primeras pistas acerca de la importancia del hipocampo en la memoria vienen del
estudio de pacientes con amnesia clínica, en particular de un paciente conocido como HM.
En el año 1953, en un esfuerzo por aliviar la epilepsia de HM se le extrajo algo del
cerebro, incluyendo parte del hipocampo, amígdala y lóbulo temporal. Para ese entonces
la importancia de estas estructuras en la memoria eran desconocidas y las consecuencias
de la operación fueron desastrosas. HM quedó completamente incapacitado de almacenar
nuevos hechos o eventos en la memoria de largo plazo, pero sin embargo sus capacidades
motoras no se afectaron. Sorprendentemente su rendimiento en tests que median su
memoria de procedimiento (como trazar líneas mientras miraba el proceso en un espejo)
mejoró con la práctica después de varios días. Sin embargo, siempre negó que había visto
el test anteriormente. Su memoria de procedimiento intacto le permitió mejorar su
rendimiento, pero su grave alteración de su memoria declarativa impidió recordar el
proceso de aprendizaje.
Otras funciones, como el lenguaje, la capacidad de raciocinio e inteligencia (medidas
durante las tareas que no requerían de memoria de corto plazo) no fueron afectadas por la
operación. Aparte de demostrar la importancia del hipocampo, la tragedia de HM reveló
que la memoria podía ser estudiada independientemente de otras altas habilidades
cognitivas, como el pensar, el lenguaje y la conciencia.
Pacientes como HM entregan valiosa información, pero los científicos son renuentes a
sacar conclusiones exclusivamente de cerebros dañados. Los cerebros son altamente
adaptables o "plásticos", y si una parte se daña, con el tiempo otras pueden compensar.
Así por ejemplo, pacientes que han sufrido ataques cerebrales, algunas veces son capaces
de volver a aprender capacidades que habían perdido, ya sea porque su cerebro hizo
nuevas conexiones, o porque regiones no dañadas tomaron las funciones de las partes
dañadas. Una aproximación alternativa para estudiar la memoria es el uso de técnicas
como la "tomografia de emisión de positrones (PET) o las "imágenes de resonancia
magnética" (MRI). Para el PET se necesita inyectar radioisótopos de corta vida en el
torrente circulatorio y luego detectar en qué parte del cerebro ellas se localizan después
de media hora. A la persona bajo estudio se le pide realizar una tarea mental, como
memorizar una poesía, y simultáneamente se ve que zonas de cerebro se activan,
"iluminándose". EL MRI se basa en la detección de las ondas de radio de alta frecuencia,
emitidas por las moléculas de agua contenidas en los tejidos vivos expuestos bajo fuertes
campos magnéticos. Ello permite un muy rápido mapa de las zonas activas del cerebro en
un momento dado.
Los científicos del Instituto de Neurología en el College University de Londres han usado el
PET y MRI para demostrar que el hipocampo se activa con la memoria espacial y de
navegación. Experiencias realizadas en Londres con choferes de taxi a los que se les pidió
que describieran la ruta que ellos debieran tomar entre dos puntos en Londres, tarea que
les requería elaborar un mapa mental basándose en la memoria semántica. Las áreas del
cerebro que se activaron durante esta tarea se compararon con las que lo hicieron cuando
a los choferes se les pidió visualizar una serie de sitios famosos en ciudades que ellos
nunca habían visitado.
Aunque usaron áreas similares del cerebro para ambas tareas, hubo importantes
diferencias: el hipocampo derecho estuvo activo cuando planearon rutas, pero no cuando
visualizaron sitios de otras ciudades, demostrando que esta área está relacionada con la
navegación compleja. Lo que es más, cuando los investigadores compararon el volumen
del hipocampo de los taxistas con el de otras personas, una zona específica de éste fue
más grande. El cambio en sus cerebros probablemente era el resultado de su trabajo
diario y constituye un ejemplo de la plasticidad cerebral. Como contra parte, las personas
con un hipocampo dañado tienen grandes dificultades en la navegación.
Del mismo modo como se ha estado conociendo cómo se codifican los diferentes tipos de
memoria, ahora los científicos quieren encontrar alteraciones que tengan lugar en el
interior de las células cerebrales y las que existan entre ellas. Desgraciadamente
limitaciones prácticas y éticas hacen imposible estudiar estos cambios en el cerebro
humano. Es por ello que los biólogos han estudiado estos aspectos en los cerebros de
otros animales.
En primer término, para conocer como las células nerviosas o "neuronas" envían los
impulsos eléctricos, han utilizado jibias, cuyas neuronas tienen axones gigantes de cerca
de 1 milímetro de diámetro. Un axón es el equivalente biológico de un cable eléctrico.
Cuando la neurona no está enviando señales, tiene una diferencial de carga eléctrica en su
membrana, que se llama "potencial de reposo". En el instante en que el nervio es
estimulado, se abren canales en su membrana permitiendo que los iones sodios cargados
positivamente fluyan dentro de la célula. El resultante cambio rápido de carga eléctrica
producido a través de la membrana, se ha llamado "acción de potencial" y este sigue
desplazándose a lo largo del axón.
Al final del axón, la neurona trasmite esta señal por medio de una sinapsis a una célula
objetivo, la que puede ser otra neurona, o una célula muscular o una glándula. En la
sinapsis hay pequeñas brechas entre 20 y 50 nanometros. El potencial de acción produce
la liberación de substancias químicas llamadas "neurotransmisores" que difunden a lo
largo de las brechas y llegan a unirse a una molécula receptora en la membrana de la
célula objetivo. Dependiendo de ésta célula, la señal puede hacer que un músculo se
contraiga, que una glándula libere una hormona, o que otra neurona se active,
contribuyendo a la formación de la memoria.
En el cerebro de un vertebrado, las neuronas de diferentes áreas, incluyendo el
hipocampo, tienen característica muy similares, de modo que la memoria no puede ser
una propiedad de las células mismas. Pero cada neurona se conecta con miles de otras en
una intrincada red, proveyendo de un gran potencial para codificar informaciones
complejas, alterando entre ellas las características y las fuerzas de las sinapsis.
El cerebro de un mamífero contiene un trillón de células nerviosas haciendo casi imposible
conocer qué sucede a las sinapsis durante el aprendizaje. Para estudiarlo los científicos se
han vuelto al slug de mar "Aplasia", cuyo sistema nervioso más simple consiste de
modestas 20.000 células nerviosas. Las células nerviosas de la Aplasia son grandes y
están acomodadas en arreglos característicos, que son similares en las diferentes slugs,
permitiendo así a los científicos seguir los efectos de células correspondientes en
diferentes animales. Eric Kandel de la Universidad de Columbia ha sido pionero en esta
aproximación y su contribución para llegar a entender el aprendizaje de la memoria, le
valió el premio Nobel en Fisiología o Medicina en el año 2000.
El equipo de Kandel estudió tipos simples de memoria, llamados habituación y
sensitización, que se observan en todos los animales con sistemas nerviosos.
“Habituación” es aprender a ignorar los estímulos no importantes, repetitivos. Como por
ejemplo el estar preocupado por la sensación de los tejidos en la piel cuando uno se viste
temprano en la mañana, pero rápidamente deja de notarlo. Contrariamente, durante la
"sensitización" un animal aprende a reaccionar a una gama de estímulos que son
generalmente neutros, si ellos se acompañan por ejemplo por el peligro o alimentos. Así
por ejemplo, si usted oye un disparo desagradablemente cerca, lo posible es que pegue un
brinco, si al mismo tiempo alguien lo golpea en su espalda.
La "Aplasia" respira a través de sus branquias, que están en una cavidad en su lado
dorsal. El final trasero de la cavidad forma un grueso sifón a través del cual expele agua.
Al tocarle suavemente el sifón el animal, como un simple reflejo defensivo, retira ambas
branquias. La fuerza del reflejo puede reducirse por habituación, o incrementarse por
sensitización. El slug de mar para este objeto puede ser entrenado para desarrollar, ya sea
una memoria de largo plazo o de corto plazo. Se ha observado que la memoria de corto
plazo fortalece las sinapsis existentes, mientras que para almacenar la memoria de largo
plazo, deben producirse proteínas necesarias para construir nuevas sinapsis (ver
recuadro).
¿ Pero el procedimiento de la memoria del slug, que se reduce a un simple reflejo, tiene
algo en común con el mecanismo por el que usted recuerda el nombre de un viejo amigo?
¿Es que son procesos moleculares similares los que se crean en la memoria declarativa
más sofisticada que se almacena en el cerebro del vertebrado?
Como la memoria en el slug de mar, la memoria declarativa de los mamíferos tiene una
fase de corto-plazo que no significa síntesis de proteínas y una de largo plazo que sí
significa. El principal modelo celular para memoria en cerebro de mamíferos es un
fascinante fenómeno llamado "potenciación de largo plazo" (PLP), que fue descubierto
hace mas o menos 30 años en conejos anestesiados. La estimulación eléctrica repetida
sobre ciertas neuronas en el hipocampo hace a estas células más sensibles a
estimulaciones subsecuentes, e incrementa el disparo espontáneo de las neuronas a lo
largo de las vías neuronales. La PLP puede durar por horas, días o aun semanas. Ello
puede ser lo que sucede cuando algo esta siendo almacenado en la memoria.
Muchas de las características de la PLP la hace un modelo convincente para la memoria. El
efecto es confinado a sinapsis activadas específicas y no se esparce a otras sinapsis de la
misma célula, de modo que cada neurona tiene la potencialidad de almacenar una gran
cantidad de información. Lo que es más, como la memoria, el PLP se desarrolla en fases.
Las transiciones entre fases son análogas a las transiciones entre memorias de corto plazo
y memorias de largo plazo.
Finalmente, el PLP muestra una propiedad llamada "asociatividad": pequeñas
estimulaciones que normalmente no serían suficientes como para gatillar PLP pueden
hacerlo si aproximadamente al mismo tiempo una fuerte estimulación gatilla el PLP en otro
paquete de sinapsis en la misma célula (figura 3). En otras palabras, la célula esta
formando una unión entre dos estímulos. Los experimentos clásicos de Pavlov en perros,
muestran que una forma en que aprende el animal es por la asociación de dos estímulos
que ocurren mas o menos al mismo tiempo (ver recuadro 1). A diferencia de habituación y
sensitización, la asociación comprende la unión de estímulos altamente específicos.
Los detalles moleculares de PLP han sido trabajados usando varias aproximaciones,
incluyendo bloqueos con drogas de parte de la vía nerviosa, y también estudiando ratas
"knockout" que han sido modificada genéticamente, anulando genes que codifican para
enzimas claves.
En la vía neuronal, una célula que estimula a una célula vecina se denomina "célula presináptica" y la célula estimulada, "célula post-sináptica". El PLP comienza con la liberación
de un neurotransmisor, "glutamato" desde la neurona pre-sináptica en respuesta a
estimulación eléctrica (ver figura 4). En la neurona post sináptica el glutamato se une a
dos tipos de receptores, llamados AMPA y NMDA. Estos se conocen como "puertas de
canales", porque cuando el glutamato se une a ellos, estos se abren.
Cuando el glutamato se une a los receptores AMPA les permiten la entrada de sodio dentro
de la neurona post-sináptica, gatillando una acción de potencial. Esto es lo que sucede
toda vez que un nervio trasmite el impulso a otro. La situación es más sutil con los
"receptores NMDA", porque ellos sólo se abren en respuesta al glutamato si es que la
membrana está lo suficientemente depolarizada como resultado de un impulso anterior
desde otro nervio. Esto significa que ellos actúan como detectores coincidentes,
permitiendo a la célula responder más fuertemente para impulsos en un conjunto de
sinapsis si ella ha sido justamente estimulada por otro conjunto. En otras palabras, la
célula esta aprendiendo a asociar los dos estímulos. Ella recuerda.
¿Cómo el receptor NMDA hace esto? Normalmente cuando la membrana celular esta en su
potencial de descanso, un ión magnesio impide al canal abrirse en respuesta a la unión de
glutamato. Pero el ión es expulsado si la membrana está ligeramente depolarizada.
Entonces, cuando el glutamato se une a los receptores, ello no sólo abre las puertas de
entrada del sodio sino también a los iones calcio. El calcio activa una enzima llamada
CaMKII que a su vez actúa en los receptores AMPA, haciéndolos más permeables a los
iones sodio. Esto significa que la célula es más sensitiva a impulsos eléctricos, pero sólo en
la sinapsis activada. Esto ayuda a explicar la alta especificidad del PLP.
A pesar que los niveles de calcio en la neurona post-sináptica rápidamente caen a niveles
normales, el PLP puede persistir por semanas. Esto sucede porque cuando el calcio activa
CaMKII, activa un switch molecular en la enzima, dejándola permanentemente en posición
"on". Y si la estimulación se repite, la elevación de los niveles de calcio recluta otras
enzimas que gatillan la síntesis de nuevas proteínas y la construcción de nuevas sinapsis.
Los científicos están comenzando a relacionar los detalles moleculares del PLP a algunos
aspectos de la memoria. Como los taxistas de Londres, los animales necesitan ser
eficientes para encontrar su propio camino. Ellos construyen mapas mentales de su
ambiente en el hipocampo, para encontrar su alimento, esquivar a los predadores y todo
lo demás. Los mapas los crean por la actividad de células especializadas del hipocampo,
llamadas "células situadas" que disparan sólo cuando un animal esta en una localización
especial. Ponga una rata o una laucha en algún lugar no familiar y en pocos minutos las
células situadas comienzan a activarse. En la medida que el animal comienza a conocer su
medio ambiente, como resultado de PLP, se construyen conexiones sinápticas, generando
un mapa mental que permanece estable por días. Pero si al animal se le dan drogas que
bloquean los receptores de NMDA, el PLP se previene y el animal es incapaz de recordar su
nuevo ambiente.
Investigaciones como éstas permiten revelar cómo y dónde se crea la memoria en el
cerebro. Los beneficios prácticos pueden derivarse como el desarrollo de drogas que
detengan o inviertan el progreso de demencias, como es el caso de la enfermedad de
Alzheimer. ¿Pero podrán las personas sanas tomar una píldora para fortalecer su
memoria? Aun si pudiesen, podrían tener consecuencias no deseadas. Una buena memoria
es selectiva:
un equilibrio delicado entre recordar los hechos importantes y olvidar lo no importante. Sin
embargo, entendiendo como trabaja el cerebro ciertamente puede ayudar a agudizar
nuestras capacidades de aprendizaje y aprovechar al máximo los prodigios de la memoria.
CÉLULAS QUE DISPARAN JUNTAS, CABLEAN JUNTAS
Si usted tiene hambre, la simple visión de alimentos hace que su boca se le haga agua.
Esto es la construcción de un reflejo "no condicionado". A fines del siglo XIX el fisiólogo
ruso Ivan Pavlov, observó que si tocaba una campanilla justo antes que se alimentara
un perro, este eventualmente aprendía a salivar al solo toque de la campanilla. El llamó
a esto "un reflejo condicionado". Pavlov también observó que el tiempo era crucial,
porque si tocaba la campana mucho antes o mucho después que apareciera el alimento,
el perro no salivaba cuando esta sonaba.
En el año 1940 el fisiólogo americano Donald Hebb, trató de explicar a un nivel celular
los resultados de Pavlov. Hebb propuso que cuando por el olfato o la vista del perro se
activaban los receptores sensoriales de sus ojos y nariz, ello estimulaban otras
neuronas (células nerviosas) a través de conexiones sinápticas, y eventualmente la
señal alcanzaban las neuronas de la corteza. Estas están conectadas a neuronas que
gatillan la salivación estimulando las glándulas salivales. Otras neuronas, por ejemplo
las que se originan en el oído, hacen en su camino conexiones débiles vía sináptica, con
las neuronas corticales. Si el sonido de la campanilla coincide con la vista del alimento,
señales de ambos paquetes de neuronas sensoriales llegan a las neuronas corticales al
mismo tiempo. Eventualmente la sinapsis de los nervios auditores se fortalecen hasta
que el sonido de la campana sólo sea suficiente para que el perro salive. A menudo esto
se resume como: "células que disparan juntas, cablean juntas".
APRENDIENDO EN UN PLATO
En una slug de mar tranquila, las neuronas sensoriales captan un toque en su sifón y
trasmiten una señal a las neuronas motoras, que hacen que se contraigan los músculos
de sus agallas. Esta retrae las agallas fuera del camino peligroso. Con todo, si al animal
se continúa dando un shock eléctrico suave, llega a "sensitizarse". Un suave toque en
su sifón hace que retraiga su agalla por más tiempo que lo usual.
Un shock simple resulta en una sensitización que dura sólo cuestión de minutos
(memoria de corto plazo). Pero aun en tranquilidad, parece que la práctica perfecciona:
después de cuatro o cinco shocks a intervalos, ella recuerda por varios días, y si se
repite el entrenamiento durante cuatro días, la memoria dura por semanas.
Durante la sensitizacion, las neuronas sensoriales en la cola detectan el shock y liberan
un neurotransmisor, serotonina. Esta se une a receptores en la neurona sensorial del
sifón. Para la memoria de corto plazo, se desencadena una cascada molecular (una
serie de cambios moleculares dentro de la neurona) que estimula la liberación de más
serotonina en la sinapsis entre la neurona sensorial y motora para contraer el músculo
de la agalla. Esto potencia la señal a la neurona motora, haciendo que el músculo se
contraiga por más tiempo. Para la memoria de largo plazo, una etapa extra en la
cascada gatilla la transcripción de un gene, potenciando los niveles de producción de
una proteína específica que se usa para construir sinapsis extras entre las neuronas
sensoriales y motoras.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl