07. Aprendizaje y memoria

Naturaleza del aprendizaje

El aprendizaje produce cambios en el modo en que percibimos,actuamos, pensamos y sentimos. Lo hace provocando cambios en los circuitos del sistema nervioso que se encargan de la percepción, en los que controlan los movimientos y en las conexiones entre ambos sistemas. Estos cambios son los que llamamos recuerdos. No se “almacenan”, más bien, hacen que cambie nuestro modo de percibir, actuar,... Cambia por ello, la estructura del sistema nervioso, alterando los circuitos neurales.

El aprendizaje perceptivo se compone básicamente de cambios en los sistemas perceptivos que nos posibilitan reconocer estímulos, de modo que podamos responder a ellos de manera adecuada. ( Sobre todo identificar y catalogar objetos o personas, y situaciones). Se da en cada uno de nuestros sistemas sensitivos.

Se lleva a cabo, fundamentalmente mediante cambios en la corteza sensitiva de asociación.

El aprendizaje estímulo-respuesta, consiste en la capacidad de aprender a ejecutar una conducta determinada cunado se presenta el estímulo determinado, por lo que involucra el establecimiento de conexiones entre sistemas perceptivos y sistemas motores. Los principales tipos de condicionamiento son el clásico y el instrumental. Ambos tipos de aprendizaje estímulo-respuesta pueden ocurrir como resultado del fortalecimiento de las conexiones sinápticas, tal como describió el principio de HEBB:

  • El condicionamiento clásico ocurre cuando un estímulo neutro se sigue de un estímulo incondicionado (EI), el cual, habitualmente, induce una respuesta incondicionada (RI). Tras este emparejamiento (asociación entre estímulos), el estímulo neutro se convierte en un estímulo condicionado (EC): llega a inducir, por sí mismo, la respuesta condicionada (RC). Respuestas automáticas, más de la especie.

  • El condicionamiento instrumental sucede cuando una respuesta se sigue de un estímulo reforzante, tal como lo es el agua para un animal sediento. El estímulo reforzante aumenta la probabilidad de que otros estímulos presentes cuando se realizó la respuesta evoquen dicha respuesta. Asociación entre una respuesta y un estímulo. Es más flexible, pues permite que el organismo modifique su conducta en función de las consecuencias, si son favorables o no. Favorables aluden a estímulos reforzantes, por ello conductas luego más frecuentes; y las desfavorables a los estímulos punitivos, conductas realizadas menos frecuentes,(en psicología: reforzadores y castigos).

  • Principio de HEBB defiende que si una sinapsis se activa repetidamente al mismo tiempo que la neurona postsináptica emite potenciales de acción, tendrá lugar una serie de cambios en la estructura o en la neuroquímica de la sinapsis que la reforzarán. La base celular del aprendizaje implica el fortalecimiento de una sinapsis que se activa repetidamente cuando descarga la neurona postsináptica.

El aprendizaje motor, aunque fundamentalmente puede implicar cambios en los circuitos neurales que controlan el movimiento, está regido por estímulos sensitivos; por lo tanto, en realidad es un tipo de aprendizaje estímulo-respuesta. Aprender a realizar una nueva respuesta. Se diferencia de otros aprendizajes, en el grado en que se aprenden nuevos tipos de conducta: cuanto más desconocidos sean, más circuitos neurales de los sistemas motores cerebrales han de modificarse.

El aprendizaje relacional es el tipo más complejo de aprendizaje, incluye la capacidad de reconocer objetos mediante más de una modalidad sensitiva, de reconocer la localización relativa de los objetos en el entorno y de recordar la secuencia en que han ocurrido los acontecimientos durante un episodio en particular. Se producen interconexiones entre los diferentes circuitos neurales de la corteza auditiva de asociación, corteza visual y corteza somatosensitiva de asociación, resultado de estos procesos lo que denominamos aprendizaje.

Entre ellos, el aprendizaje por percepción de la localización espacial (aprendizaje espacial) que significa aprender las relaciones existentes entre diversos estímulos. También, y uno de los más complejos, es el aprendizaje episódico. No solo hay que seguir la pista de estímulos individuales sino del orden en que suceden.

Plasticidad sináptica: potenciación a largo plazo y depresión a largo plazo

El estudio de la potenciación a largo plazo en la formación hipocámpica ha sugerido que existe un mecanismo que podría ser responsible de, al menos, algunos de los cambios sinápticos que ocurren durante el aprendizaje. Un circuito de neuronas se extiende desde la corteza entorrinal a través de la formación hipocámpica. La estimulación de alta frecuencia de los axones de este circuito fortalece las sinapsis: induce un aumento del tamaño de los PEP de las espinas dendríticas de las neuronas postsinápticas.

También puede darse potenciación a largo plazo asociativa, proceso por el cual las sinapsis débiles son fortalecidas por la acción de las fuertes. De hecho, lo único que se necesita para que ocurra la PLP es que la membrana postsináptica esté despolarizada al mismo tiempo que las sinapsis están activas.

En el campo CA1, en la circunvolución dentada y en otras varias regiones del cerebro, los receptores NMDA juegan un papel especial en la PLP. Esos receptores, sensibles al glutamato, controlan los canales de calcio pero solo pueden abrirlos si la membrana ya está despolarizada. Así, la acción conjunta de la despolarización de la membrana (por ejemplo, por una espiga dendrítica producida por la actividad de las sinapsis fuertes) y la activación de un receptor NMDA produce la entrada de iones de calcio. El aumento de calcio activa diversas enzimas controladas por calcio, entre ellas la CaM-KII. Esta hace que se inserten receptores AMPA en la membrana de la espina dendrítica, aumentando así su sensibilidad al glutamato liberado por los botones terminales.

Este cambio se acompaña de modificaciones estructurales de la forma de la espina dendrítica y del crecimiento de nuevas espinas, que establecen nuevas sinapsis. La PLP puede implicar asimismo cambios presinápticos, mediante la activación de la ON-sintasa, una enzima que se encarga de la producción de óxido nítrico. Este gas soluble puede difundirse a los terminales cercanos, donde facilita la liberación de glutamato. La potenciación a largo plazo durdera requiere de síntesis de proteínas. Las moléculas “etiquetadas” existentes en las espinas dendríticas potenciadas pueden captar las proteínas que se han producido en el soma celular e incorporarlas a la sinapsis.

La depresión a largo plazo ocurre cuando una sinapsis es activada en el momento en que la membrana postsináptica está hiperpolarizada o solo ligeramente despolarizada. En el campo CA1, la PLP y la DLP se establecen mediante formas algo diferentes de receptores NMDA.

Si la PLP y DLP únicamente ocurrieran en la formación hipocámpica, su descubrimiento seguiría siendo un hallazgo interesante, pero el hecho de que también se produzcan en muchas otras regiones del cerebro sugiere que juegan un importante papel en muchos tipos de aprendizaje.

Formación hipocámpica: Estructura del prosencéfalo situada en el lóbulo temporal que constituye una parte importante del sistema límbico. Incluye al hipocampo en sí (asta de Amón), la circunvolución dentada y el subículo.

Pontenciación a largo plazo (PLP): Aumento a largo plazo de la excitabilidad de una neurona ante una determinada aferencia sináptica debido a la repetitiva actividad de alta frecuencia de dicha aferencia. (Potenciación --> fortalecer).

PEP: Potencial excitador postsináptico ---> aumento ---> PLP

Población de PEP: Potencial evocado que representa los PEP de una población de neuronas.

El input básico que recibe la formación hipocámpica procede de la corteza entorrinal. Los axones de las neuronas de la corteza entorrinal penetran a través de la vía perforante y forman sinapsis con las células granulosas de la circunvolución dentada. Se sitúa un electrodo de estimulación en la vía perforante y uno de registro (para medir) en la circunvolución dentada, cerca de las células granulosas. En primer lugar se administra un único pulso de estimulación eléctrica a la vía perforante y luego se registra la población de PEP resultante en la circunvolución. La población de PEP es una medida extracelular de los PEP producidos por las sinapsis de los axones de la vía perforante con las neuronas granulosas de la circunvolución dentada.La amplitud de la primera población de PEP indica la fuerza de las conexiones sinápticas antes de que haya ocurrido la potenciación a largo plazo.

Puede inducirse estimulando los axones de la vía perforante con una salva de unas cien descargas de estimulación eléctrica, administradas en pocos segundos.

La prueba de que ha ocurrido la potenciación a largo plazo se obtiene administrando periódicamente descargas sueltas a la vía perforante y registrado la respuesta de la circunvolución dentrada. Si la respuesta es mayor que antes de la administración de estimulación de alta frecuencia, se ha producio potenciación a largo plazo.

Muchos experimentos han demostrado que la potenciación a largo plazo en secciones hipocámpicas puede seguir el principio de HEBB: cuando las sinapsis débiles y las fuertes de una misma neurona se estimulan aproximadamente al mismo tiempo, la sinapsis débil se fortalece. Este fenómeno se denomina potenciación a largo plazo asociativa, puesto que se produce debido a la asociación entre la actividad de dos grupos de sinapsis.

Si los axones se estimulan rápidamente, los PEP que originan los botones terminales se suman y la membrana postsináptica se despolariza lo suficiente para que ocurra la potenciación a largo plazo. Si los axones se estimulan lentamente, los PEP no se suman y no se da potenciación a largo plazo.

La estimulación de baja frecuencia, entonces puede desembocar en el efecto contrario: depresión a largo plazo. Varios experimentos han demostrado qu ese da un fortalecimiento sináptico cuando las moléculas del neurotransmisor se unen a receptores postsinápticos localizados en una espina dendrítica que ya está despolarizada. La estimulación de las sinápsis y la despolarización de la neurona deben ocurrir en el mismo momento para que se observe el efecto.

Por tanto, la PLP (Potenciación a largo plazo) requiere de dos suscesos:

  • activación de las sinapsis

  • y despolarización de la neurona postsináptica.

La explicación a ello, por lo menos cuando ocurre en algunas regiones de del cerebro, reside en las características de un tipo muy especial de receptor del glutamato: el receptor NMDA. Tiene propiedades poco frecuentes y se encuentra en la formación hipocámpica (CA1)

Sustancia que lo activa N-metil-D-aspartato (NMDA): Este receptor NMDA es un canal iónico dependiente de voltaje y dependiente de neurotransmisor. Cuando la membrana postsináptica presenta un potencial en reposo, el Mg(2+) bloquea el canal iónico impidiendo la entrada de Calcio Ca (2+) .Cuando la membrana está despolarizada, el ión de magnesio es desalojado. Así, la adhesión del glutamato a los lugares de unión hace que los canales iónicos se abran, permitiendo que los iones de calcio entren en la espina dendrítica.

  • Receptor NMDA: Receptor glutamatérfico ionotrópico especializado que controla un canal de clacio habitualmente bloqueado por iones de Mg (magnesio). Está implicado en la potenciación a largo plazo. Son necesarios.

  • AP5: Sustancia que bloquea los receptores de NMDA, e impide que los iones de calcio penetren en las espinas     dendríticas y por lo tanto se establezca la PLP.

Aunque en general solo los axones pueden producir potenciales de acción, en realidad también pueden darse en ls dendritas de algunos tipos de neuronas piramidales, entre ellas las del campo CA1 de la F. hipocámpica.

El umbral de excitación para las espigas dendríticas es bastante elevado. Por ahora observaado en las neuronas piramidales. La oleada de relujo de la despolariazación a través del soma celular desencadena una espiga dendrítica, y esta se propaga hacia arriba hasta el tronco de la dendrita. Cada vez que una neurona piramidal descarga potenciales de acción, todas sus espinas dendríticas se despolarizan durante un corto tiempo; entonces, cuando se dan al mismo tiempo la activación sináptica y una espiga dendrítica, se fortalece la sinapsis activa. En resumen, si la actividad de las sinapsis fuertes es suficiente para desencadenar un potencial de acción en la neurona, la espiga dendrítica despolariza la membrana de las espinas dendríticas, sensibilizando así los receptores NMDA de modo que cualquier sinapsis débil activa en ese momento resulta reforzada.

Por lo tanto, las propiedades especiales de los receptores NMDA explican no solo la existencia de la potenciación a largo plazo, sino también su naturaleza asociativa.

  • CaM -KII Calcio calmodulina cinasa tipo II, una enzima que ha de ser activada por el calcio. Puede jugar un papel en el establecimiento de la potenciación a largo plazo.

  • Óxido nítrico sintasa Enzima responsible de la producción de óxido nítrico.

Los investigadores opinan que la PLP puede implicar también cambios PRESINÁPTICOS en sinapsis existentes, tales como un aumento de la cantidad de glutamato que liberan los botones terminales.

Una posible respuesta a ello lo aporta el descubrimiento de que una molécula sencilla, el óxido nítrico (ON) puede transmitir mensajes de una célula a otra. (Este es un gas soluble que se produce a partir del aminoácido arginina gracias a la acción de una enzima llamada óxido nítrico sintasa). (ON) dura tan solo un breve tiempo antes de ser eliminado. Si es producido en las espinas dendríticas de la formación hipocámpica se podría difundir tan solo hasta los botones terminales próximos, donde podría producir cambios relacionados con la inducción de PLP.

Es más, lo que se sugieren algunos estudios es que es un mensajero RETRÓGRADO implicado en la PLP, (que se mueve hacia atrás) mensajes enviados desde la espina dendrítica hacia atrás, a los botones terminales.

Aunque esto parece así, se opina que deben existir también otras señales, pues las modificaciones sinápticas requieren que se produzcan cambios coordinados, tanto en los elementos presinápticos como en los postsinápticos.

La PLP consta de varias fases:

la de larga duración, es la que dura más de unas pocas horas, y requiere de síntesis de proteínas. La síntesis de proteínas necesaria para que se establezcan la fase más tardía de la PLP de larga duración se efectúa en el plazo de una hora de estimulación:
  • PLP1, implica cambios casi inmediatos en la fuerza sináptica causados por la inserción de receptores AMPA. (una o dos horas)

  • PLP2 , implica síntesis de proteínas local. Las dendritas contienen ARN mensajero que se puede convertir en proteínas.

  • PLP3 (el más duradero) , participa en la producción de ARNm en el núcleo que luego se transporta a las dendritas, donde tiene lugar la síntesis de las proteínas. Requiere la presencia de dopamina, la cual estimula los receptores D1 existentes en las dendritas.

La PLP da lugar a dos procesos: la producción de proteínas relacionadas con la plasticidad, mediante la síntesis normal del ARNm en el núcleo de la célula, y la producción de una “etiqueta” química en las espinas dendríticas donde ha tenido lugar la PLP. Las nuevas proteínas se difunden entonces por todas las dendritas de la célula y son captadas por las etiquetas y utilizadas para estabilizar los cambios sinápticos temporales y establecer una PLP de larga duración:

  • activación de un botón terminal libera glutamato y se une a los receptores de NMDA en membrana postsináptica.

  • Si la membrana es despolarizada por una espiga dendrítica, los iones de calcio entran a través de los canales controlados por los receptores NMDA y activan la CAM-KII (proteína cinasa controlada por el calcio), la CAM-KII se desplaza a la densidad postsináptica, cuasando inserción de receptores AMPA.

  • La PLP, a su vez, inicia rápidos cambios en la estructura sináptica y la producción de nuevas sinapsis.

  • La entrada del calcio activa asimismo la ON (óxido nítrico sintasa enzima) dependiente del calcio, y este se difunde fuera de la espina dendrítica, de vuelta a los botones terminales.

  • Desencadenando reacción química que aumenta la liberación de glutamato.

  • Por último, los tipos de PLP de larga duración (PLP2 y PLP3) requieren la presencia de dopamina y la síntesis local y remota de nuevas proteínas que estabilicen los cambios efectuados en la estructura de as sinapsis potenciadas.

Depresión a largo plazo

La estimulación de baja frecuencia de las aferencias sinápticas a una célula puede disminuir en lugar de aumentar la fuerza de sus sinapsis ---> Depresión a largo plazo (DPL) (Frecuencias por debajo de 10Hz inducen a la depresión).

Depresión a largo plazo (DLP): disminución a largo plazo de la excitabbilidad de una neurona a una aferencia sináptica determinada debido a la estimulación del botón terminal mientras la membrana postsináptica está hiperpolarizada o solo ligeramente despolarizada.

Se disminuye la cantidad de receptores AMPA en esas espinas. Estos receptores AMPA son retirados de las espinas en vesículas durante la DLP. Un detalle curioso, es que al igual que en la PLP, en el campo CA1, implica la activación de receptores NMDA, y el AP5 bloquea su establecimiento. Ello es por el aumento mayor o menor de iones de calcio intracelular activando diferentes mecanismos.

En el campo CA3 que recibe input de fibras musgosas produce una PLP que decae gradualmente a lo largo de un período de varias horas. El AP5, sustancia que bloquea los receptores NMDA e impide el establecimiento de PLP en las neuronas del campo CA1, no tiene efectos sobre la PLP en el campo CA3.

Aprendizaje perceptivo

El aprendizaje perceptivo ocurre como resultado de cambios en las conexiones sinápticas en el interior de la corteza sensitiva de asociación. Las lesiones de la corteza temporal inferior – el nivel superior de la vía ventral de la corteza visual de asociación- alteran el aprendizaje perceptivo visual.

Estudios de neuroimagen funcional realizados con seres humanos han demostrado que la recuperación de recuerdos de imágenes, sonidos, movimientos o localizaciones espaciales activan las regiones correspondientes de la corteza de asociación sensitiva.

La memoria perceptiva a corto plazo implica la actividad mantenida de neuronas de la corteza sensitiva de asociación.

En estudios de neuroimagen funcional se ha comprobado que la retención de tipos específicos de memoria visual a corto plazo implica la actividad de regiones específicas de la corteza visual de asociación. La estimulación magnética transcraneal de diversas regiones de la corteza sensitiva de asociación humana altera los recuerdos perceptivos a corto plazo.

La corteza prefrontal también participa en el procesamiento de la memoria a corto plazo. Esta región codifica la información relacionada con los estímulos que han de recordarse y está implicada en el manejo y organización de la información en la memoria a corto plazo.

Memoria a corto plazo: Recuerdo de un estímulo o un acontecimiento que perdura un corto período de tiempo.

Tarea de emparejamiento demorado con la muestra: Tarea que requiere que le sujeto indique cuál de varios estímulos es el que acaba de percibir.

Aprender a reconocer estímulos

En los mamíferos el reconocimiento visual de los objetos se efectúa mediante circuitos neuronales de la corteza visual asociativa:

La corteza visual primaria recibe información del núcleo geniculado lateral del tálamo, y tras el primer nivel de análisis, la información se envía a la corteza extraestriada, que rodea a la corteza visual primaria (corteza estriada): se analiza forma, color y movimiento, y los resultados obtenidos de su análisis se envían al siguiente nivel de la corteza visual de asociación.

  • La corteza visual de asociación se divide en dos vías: La vía ventral y la vía dorsal.

    • La vía ventral (reconocimiento de los objetos) continúa recorrido por corteza temporal inferior.

    • La vía dorsal (implicada en percepción de la localización de los objetos), continúa recorrido por la zona dorsal de la corteza parietal posterior.

Lesiones que dañan la corteza temporal inferior (vía ventral) alteran la capacidad de discriminar entre diferentes estímulos visuales, deteriorando la capacidad de aprender a reconocer. La activación repetida de conexiones sinápticas de la corteza de asociación visual es la base del reconocimiento del estímulo.La TM/TSM (región de la corteza visual) desempeña un papel fundamental en la percepción del movimiento, no en reposo. También se ha descubierto que se activan las zonas específicas incluso cuando se preguntan por ella, por ejemplo, preguntas referentes al sabor, activan la corteza gustativa; las referentes a información táctil, activaban la corteza somatosensitiva y así con la corteza visual y auditiva de asociación.

Memoria perceptiva a corto plazo

A veces se requiere aplazar la respuesta, incluso cuando el estímulo no se puede ver. La memoria a corto plazo es un recuerdo que dura poco tiempo, por lo general segundos, de un estímulo o un acontecimiento. El reconocimiento de un estímulo tiene lugar cuando las aferencias sensitivas activan esta serie de circuitos neurales. La memoria a corto plazo de un estímulo implica la actividad de estos circuitos.

Aprender a reconocer la cara de un amigo produce cambios en la fuerza sináptica de los circuitos neurales de la región facial fusiforme de la corteza visual de asociación , reconocer que está presente implica activación y recordar que está en la habitación aun cuando no miremos, implica la actividad mantenida. Regiones específicas para memoria visual a corto plazo:

  • Área facial fusiforme --> interviene en el reconocimiento de rostros.

  • Área de lugar parahipocámpica --> participa en el reconocimiento de lugares.

Se ha podido comprobar su actividad utilizando la tarea de emparejamiento demorado con la muestra.

La memoria perceptiva a corto plazo implica también otras regiones cerebrales, especialmente en la corteza prefrontal --> (Miyashita) sugiere que su función es la de “manejar y organizar la información que ha-de-ser-recordada, elaborar estrategias para recuperarla y también supervisar el resultado” de esos procesos.

Condicionamiento clásico

Cuando se empareja un estímulo auditivo (EC) con una descarga eléctrica en la pata (EI), los dos tipos de información convergen en el núcleo lateral de la amígdala. Este núcleo se conecta, directamente y a través del núcleo basal accesorio, con el núcleo central, el cual se conecta con regiones del cerebro que controlan diversos componenetes de la respuesta emocional. Las lesiones de cualquier parte de este circuito alteran la respuesta.

Los registros de neuronas individuales del núcleo lateral de la amígdala indican que el condicionamiento clásico cambia la respuesta de las neuronas al EC. Parece ser que el mecanismo de plassticidad sináptica que opera en este sistema es la potenciación a largo plazo mediada por receptores NMDA. La infusión de sustancias químicas que bloquean la PLP en el núcleo lateral bloquea el establecimiento de respuestas emocionales condicionadas.

Condicionamiento instrumental

El condicionamiento instrumental comporta el fortalecimiento de conexiones entre circuitos neurales que detectan estímulos y circuitos neurales que producen respuestas.

Parece ser que uno de los lugares en donde se producen estos cambios son los núcleo basales, especialmente los cambios responsables del aprendizaje de conductas automatizadas y rutinarias. Los núcleos basales reciben información sensitiva e información sobre la planificación del movimiento desde la neocorteza. El condicionamiento instrumental activa los núcleos basales; las lesiones de estos núcleos, o la infusión de una sustancia que bloquee los receptores NMDA allí exitentes, lateran el condicionamiento instrumental.

Olds y Milner observaron que las ratas ejecutaban una respuesta que ocasionaba la administración de corriente eléctrica al cerebro a través de un electrodo implantado en su interior; por lo tanto, la estimulación era reforzante. Estudios posteriores encontraron que la estimulación eléctrica de muchas regiones cerebrales tenía efectos reforzantes, pero que la del haz prosencefálico medial producía los efectos más intensos y fiables.

Aunque en el control neural del refuerzo pueden intervenir varios neurotransmisores, uno de ellos juega un papel particularmente importante: la dopamina.

Los cuerpos celulares del principal sistema de neuronas dopaminérgicas se localizan en el área tegmental ventral, y sus axones proyectan al núcleo accumbens, la corteza prefrontal y la amigdala. Los estudios de microdiálisis han demostrado asimismo que los refuerzos naturales y los artificiales estimulan la liberación de dopamina en el núcleo accumbens. A su vez, los estudios de neuroimagen funcional han comrpobado que los estímulos reforzantes activan el núcleo accumbens en seres humanos. El sistema de refuerzo dopaminérgico al parecer es activado por refuerzos inesperados o por estímulos que predicen que va a ocurrir un refuerzo. Situaciones tales como la novedad o la expectativa de un estímulo reforzante facilitan el aprendizaje. Puede que la corteza prefrontal juegue un papel en el refuerzo que produce el hecho de que nuestra conducta nos acerque a un objetivo.

La dopamina estimula la plasticidad sináptica facilitando la potenciación a largo plazo asociativa. Los datos existentes indican que la dopamina puede facilitar la potenciación a largo plazo en el núcleo accumbens, la amígdala y la corteza prefrontal.

Núcleos basales

Existen dos vías principales entre la corteza sensitiva de asociación y la corteza motora de asociación: conexiones transcorticales directas (conexiones de un área de la corteza cerebral con otra) y conexiones a través de los núcleos basales y el tálamo.

Hay una tercera vía, que implica al cerebelo y al tálamo, todavía hoy sin demasiada investigación.

Conexiones transcorticales directas: junto la formación hipocámpica, participa en adquisición de memorias episódicas; adquisición de conductas complejas que implican deliberacón o conocimiento. Cuando las conductas se vuelven automáticas y rutinarias, se transfiere a los núcleos basales.

Al principio, los núcleos basales parecen ser observadores de la información que les llega, observadores pasivos de la situación, que a medida que se repite la conducta una y otra vez, empiezan a aprender qué es lo que tienen que hacer y dejan el trabajo libre a los circuitos transcorticales para que hagan otra cosa.

Las lesiones en los núcleos basales afectan al cond.instrumental pero no a otro tipo de aprendizaje.

El neoestriado (putamen y el núcleo caudado) recibe información sensitiva de todas las regiones de la corteza cerebral. También la procedente de los lóbulos frontales respecto a los movimientos que se han planificado o están en curso. Las eferencias del núcleo caudado y el putamen se envían a otro componente de los núcleos basales: el globo pálido. Las eferencias de esta estructura se transmiten a la corteza frontal: a las áreas premotora y motora suplementaria, donde se planifican los movimientos, y a la corteza motora primaria, desde donde se ejecutan.

Refuerzo

Circuitos implicados en el refuerzo

Olds y Milner, por casualidad descubrieron los mecanismos del refuerzo. (1954)

La actividad de las neuronas dopaminérgicas juegan un papel particularmente importante en el refuerzo.

Área tegmental ventral (ATV) Grupo de neuronas dopaminérgicas del mesencéfalo ventral cuyos axones forman el sistema mesolímbico y el mesocortical. Juega un papel decisivo en el refuerzo. Proyecta en dirección rostral a varias regiones del prosencéfalo, entre las que se incluyen la amígdala, el hipocampo y el núcleo accumbens.

Núcleo accumbens Núcleo del prosencéfalo basal cercano al septum. Recibe botones terminales que segregan dopamina pertenecientes a neuronas del área tegmental ventral y se piensa que está implicado en el refuerzo y la atención. El sistema mesocortical también interviene en el refuerzo. Y proyecta hacia la corteza prefrontal, la corteza límbica y el hipocampo.

Por microdiálisis se ha observado que la estimulación eléctrica reforzante del haz prosencefálico medial o del área tegmental ventral, así como la administración de cocaína o de anfetamina, ocasionan la liberación de dopamina en el núcleo accumbens . También refuerzos naturales, como el agua, la comida o una pareja sexual, estimulan la liberación de dopamina en el núcleo accumbens. Por lo que parece ser que los efectos de la estimulación cerebral reforzante son similares en muchos aspectos a los naturales. Se concluye también en otros estudios que tanto los estímulos reforzantes como los aversivos provocan que se libere la dopamina en varias incluyendo el núcleo accumbens.

Funciones del sistema de refuerzo

Funciones: Detectar la presencia de un estímulo reforzante y fortalecer las conexiones entre las neuronas que detectan el estímulo discriminativo y las neuronas que producen la respuesta instrumental.

  • Detección de estímulos reforzantes

    • El refuerzo se produce cuando los circuitos neurales detectan un estímulo reforzante y provocan la activación de neuronas dopaminérgicas del área tegmental ventral. Un estímulo que sirve de refuerzo en una ocasión puede no serlo en otra. No se activa automáticamente, su activación depende del estado del animal. Suelen ser estímulos reforzantes inesperados. Por tanto, la previsibilidad de un estímulo reduce la actividad en el (NAC). Las neuronas dopaminérgicas del mesencéfalo son las que se activan.

    • La actividad de estas neuronas envían señal de que hay algo que aprender.

    • La corteza prefrontal proporciona un importante input al área tegmental ventral. Los botones terminales de los axones que conectan estas dos áreas segregan glutamato (neurotransmisor excitador) y la actividad de estas sinapsis hace que las neuronas dopaminérgicas del área tegmental ventral descarguen en salvas, lo que aumenta la dopamina en gran cantidad segregada a NAC.

    • La corteza prefrontal participa en la elaboración de estrategias, realizando planes, evaluando progresos hacia metas y juzgando la adecuación de la propia conducta, y es cuando ocurre que se hace el refuerzo.

  • Fortalecimiento de las conexiones neurales: dopamina y plasticidad neural.

    • El condicionamiento instrumental implica tres elementos:

    • Estímulo discriminativo, una respuesta y un estímulo reforzante: el estímulo discriminativo activa sinapsis débiles sobre neuronas motoras (en ratas) que hacen apretar palanca. El segundo elemento, la respuesta, activa sinapsis fuertes, haciendo que las neuronas descarguen. El tercer elemento entra en juego solo si la respuesta se sigue de un estímulo reforzante. Este tercer elemento es una sustancia química que solo si está presente fortalece las sinapsis débiles.

    • La dopamina refuerza la potenciación a largo plazo duradera y esta debe estar presente para que se dé el condicionamiento instrumental.

    • La corteza prefrontal es el objetivo de las neuronas dopaminérgicas así como una fuente de su control.

La dopamina modula la PLP en la corteza prefrontal y en el núcleo accumbens. Y también se ha descubierto que en la amígdala lateral.

En algunas investigaciones:

La estimulación del ATV reforzaba la PLP, producida por estimulación eléctrica del hipocampo, en la CPF.

La infusión de agonistas de los receptores de D1 en la corteza prefrontal también lo hacía, pero los antagonistas D1 afectaban a la PLP.

Por ello, las investigaciones actuales apuntan al gran papel que la dopamina juega en la modulación de la plasticidad sináptica en las regiones del cerebro que están implicadas en el aprendizaje.

Aprendizaje relacional

El daño cerebral puede producir amnesia anterógrada, que consiste en la incapacidad de recordar acontecimientos que ocurrieron después de que tuviera lugar el daño, aunque la memoria a corto plazo (como la que se necesita para mantener una conversación) esté en gran parte intacta. La amnesia anterógrada puede deberse a alcoholismo crónico (síndrome de Korsakoff), que principalmente daña los cuerpos mamilares, o a un daño bilateral de la región medial del lóbulo temporal.

Los pacientes tienen asimismo una amnesia retrógrada que abarca varios años, pero pueden recordar información del pasado lejano.

La primera explicación de la amnesia anterógrada fue que la capacidad del cerebro para consolidar la memoria a corto plazo en memoria a largo plazo estaba deteriorada. Sin embargo, el aprendizaje perceptivo, el aprendizaje estímulo-respuesta y el aprendizaje motor comunes no parecen estar afectados: las personas pueden aprender a reconocer estímulos nuevos, tienen capacidad de condicionamiento instrumental y condicionamiento clásico y pueden adquirir memoria motoras. Pero no tienen capacidad de llevar a cabo un aprendizaje declarativo -describir acontecimientos que les han sucedido-.

La amnesia también se ha calificado como una deficiencia de memoria explícita. Un término aún más descriptivo -que se aplica tanto en el caso de animales de laboratorio como en el de seres humanos- es aprendizaje relacional.

Aunque puede que estén implicadas otras estructuras, los investigadores están convencidos de que la causa fundamental de la amnesia anterógrada es el daño de la formación hipocámpica o de sus aferencias y eferencias. La anoxia temporal afecta al campo CA1 debido a su alta concentración de receptores NMDA, y produce amnesia anterógrada. La corteza entorrinal recibe información de todas las regiones de la corteza asociativa, tanto directamente como a través de sus conexiones con la corteza perirrinal y la parahipocámpica que la rodean. Las eferencias de la formación hipocámpica se transmiten a través de esas mismas regiones.

La formación hipocámpica recibe información de otras regiones del cerebro, procesa dicha información y luego, mediante sus conexiones eferentes con esas regiones, modifica las memorias que allí se están consolidando, relacionándolas de modo que nos permita recordar la relación entre los elementos de las memorias.

Si el daño se limita al hipocampo, la amnesia anterógrada que causa esta destrucción se acompañará de una amnesia retrógrada que abarca unos cuantos años. Las lesiones que afectan a la corteza límbica del lóbulo temporal medial así como a la formación hipocámpica producen una amnesia retrógrada mucho más amplia, pero los pacientes pueden recordar información episódica de su infancia.

La lesión de la neocorteza del lóbulo temporal anterolateral provoca demencia semántica: pérdida de memorias de información de hechos. Estos síntomas los reproduce la estimulación magnética transcraneal de dicha región. Si el daño se limita a esta región, las personas no padecen amnesia anterógrada y conservan la capacidad de recordar información episódica.

La formación hipocámpica -especialmente la zona posterior del hipocampo derecho- interviene en la memoria espacial. Estudios de neuroimagen funcional han observado que la ejecución de tareas espaciales aumenta la actividad de esta región.

Los estudios con animales de laboratorio indican que la lesión de la formación hipocámpica altera la capacidad de aprender relaciones espaciales. Por ejemplo, las ratas con lesiones hipocámpicas no pueden aprender el laberinto de agua de Morris a no ser que se las libere siempre desde el mismo lugar del laberinto, lo que convierte la tarea en una de aprendizaje de estímulo-respuesta. En la formación hipocámpica hay células de lugar (neuronas que responden cuando el animal se encuentra en una determinada posición), lo que implica que en el hipocampo hay redes neurales que rastrean la relación entre estímulos ambientales que precisan la localización del animal. Las neuronas de la formación hipocámpica reflejan dónde un animal “cree” que está. La información topográfica llega al campo CA1 del hipocampo desde el lóbulo parietal, a traves de la corteza entorrinal. Las células de lugar codifican algo más que el espacio: pueden incluir información relativa a la respuesta que el animal realizará a continuación.

Las investigaciones han demostrado que la formación hipocámpica interviene en la consolidación de la memoria. En un estudio de neuroimagen que uilizó 2-DG se encontró que la actividad hipocámpica se relaciona con la capacidad del animal para recordar una tarea de aprendizaje espacial unos cuantos días después del aprendizaje original, pero que la relación desaparece en pocas semanas.

Igualmente, la desactivación de la región dorsal del hipocampo impide la consolidación si tiene lugar un día después de que el animal haya aprendido una tarea del laberinto de agua de Morris, pero no surte efecto si ocurre 30 días más tarde. Por el contrario, la desactivación de regiones de la corteza cerebral 30 días después del entrenamiento altera el rendimiento si tiene lugar 30 días después del entrenamiento, pero no tiene efecto si ocurre un día después del entrenamiento. El sueño de ondas lentas facilita la consolidación de las memorias declarativas, mientras que el sueño REM facilita la consolidación de las memorias no declarativas. En la rata, durante el sueño de ondas lentas las células de lugar del campo CA1 reproducen la secuencia de actividad que habían mostrado mientras la rata navegaba en un entorno en el laboratorio. Las memorias pueden modifiarse o conectarse con nuevas memorias (proceso conocido como reconsolidación).

Cuando una memoria a largo plazo es reactivada por un estímulo que proporciona un “recordatorio” de la experiencia original, las memorias pueden ser influidas por acontecimientos que interfieren la consolidación; por ejemplo, la terapia electroconvulsiva, la interferencia con la potenciación a largo plazo (PLP), o la administración de una sustancia que inhiba la síntesis de proteínas.

El aprendizaje implica potenciación a largo plazo. Cuando se entrena a ratas en un laberinto, se esfuerzan las conexiones sinápticas en el hipocampo. Una mutación dirigida contra el gen del receptor NMDA que afecta solo al campo CA1 altera la potenciación a largo plazo y la capacidad de aprender el laberinto de agua de Morris.

La circunvolución dentada es uno de los dos lugares del cerebro donde las células madre adultas se pueden dividir y dar lugar a nuevas neuronas. Estas neuronas establecen conexiones con las células del campo CA3 y al parecer participan en el aprendizaje. Su capacidad para experimentar potenciación a largo plazo más fácilmente que las neuronas más antiguas sugiere que facilitan la formación de nuevas memorias.

Amnesia anterógrada Amnesia de los acontecimientos que ocurrieron después de una alteración cerebral, tal como un traumatismo craneal o ciertas enfermedades cerebrales degenerativas.

Amnesia retrógrada Amnesia de los acontecimientos que precedieron a una alteración cerebral, tal como traumatismo craneal o electrochoque.

Síndrome de Korsakoff Amnesia anterógrada permanente causada por daño cerebral debido a alcoholismo crónico o malnutrición. Degeneración de los cuerpos mamilares.

Consolidación Proceso mediante el cual las memorias a corto plazo se convierten en memorias a largo plazo.

Tener en cuenta como base de las investigaciones actuales:

  1. El hipocampo no es la sede de la memoria a largo plazo, ni es necesario para la recuperación de recuerdos a largo plazo.

  2. El hipocampo no es la sede de la memoria inmediata (a corto plazo).

  3. El hipocampo interviene en la transformación de la memoria inmediata (a corto plazo) en la memoria a largo plazo. La memoria inmediata de un acontecimiento se retiene mediante la actividad neural, y la memoria a largo plazo se asienta en cambios bioquímicos o estructurales relativamente permanentes de las neuronas.

La extensión temporal de la amnesia retrógrada parece relacionarse con la extensión de la lesión del lóbulo temporal medial.

Las lesiones que se limitan al hipocampo (incluyendo circunvolución dentada y subículo) producen amnesia retrógrada que abarca UNOS CUANTOS AÑOS; si además está dañada la corteza entorrinal, la amnesia retrógrada comprende UNA O DOS DÉCADAS.

El daño que implica al hipocampo y a gran parte del lóbulo temporal medial produce amnesia retrógrada que solo salvaguarda los recuerdos de una etapa temprana de la vida, memorias de episodios personales de cuando el paciente era más joven y la capacidad de desplazarse mentalmente o de describir el vecindario del primer hogar.

Memorias episódicas y memorias semánticas

Memoria episódica Memoria de una serie de percepciones o acontecimientos organizados temporalmente e identificados por un contexto particular. Implica un contexto : cuándo y en qué condiciones sucedió un episodio concreto y su orden. Cada episodio una sola vez. Consiste en una secuencia integrada de memorias perceptivas. Se localizan en la corteza sensitiva de asociación.

Memoria semántica Memoria de los hechos y de información general. Involucran hechos, pero no incluyen información sobre el contexto en el que estos se aprendieron. Menos específica que la episódica. Esta no consiste solo en memoria perceptiva. Parece almacenarse en la neocorteza de la región anterolateral del lóbulo temporal.

La formación hipocámpica y la corteza límbica del lóbulo temporal medial parecen estar implicadas en la consolidación y recuperación de memorias declarativas (episódicas y semánticas).

Demencia semántica Pérdida de memoria semántica debida a una degeneración progresiva de la neocorteza de la región lateral del lóbulo temporal.

No confundir los síntomas de la demensia semántica con los de la amnesia anterógrada. La información

semántica se pierde pero la memoria episódica de los acontecimientos recientes se conserva.

Memoria espacial

La información espacial no necesita relatarse, pero las personas con amnesia anterógrada no pueden consolidar la información relativa a la localización de habitaciones, pasillos, edificios,...

Las lesiones bilaterales del lóbulo temporal medial producen el deterioro más acentuado de la memoria espacial , pero también las lesiones limitadas al hemisferio derecho pueden causar problemas significativos.

En los estudios de neuroimagen funcional se ha comprobado que la formación hipocámpica derecha se activa cuando se está recordando o realizando una tarea de orientación espacial.

Por investigaciones, las imágenes de Rmfuncional revelan que la tarea espacial activa el hipocampo; mientras que tarea de respuestas específicas activa el núcleo caudado (núcleos basales). Y en RM estructural se ha comprobado que el hipocampo es de tamaño mayor que la media en las personas que tienden a seguir estrategias espaciales.

Aprendizaje relacional en animales de laboratorio

Percepción espacial y aprendizaje

Los animales de laboratorio presentan problemas de orientación similar a los humanos.

El laberinto de agua de Morris requiere aprendizaje relacional: para “navegar” por el laberinto, los animales consiguen orientarse por la localización relativa de estímulos que están fuera del laberinto. Este laberinto también se emplea para estudiar el aprendizaje estímulo- respuesta, que no es aprendizaje relacional. Si a una rata con lesión en el hipocampo se le deja partir desde el mismo sitio hacia la plataforma sumergida, aprenderá su situación por aprendizaje estímulo- respuesta. Pero si en cada ensayo se la deja partir desde un nuevo punto, nada de forma errática hasta que encuentra la plataforma.

Células de lugar de la formación hipocámpica

Uno de los estudios más interesantes sobre la formación hipocámpica fue el de O ́Keefe y dostrovsky, quienes registraron la actividad de células piramidales individuales del hipocampo cuando un animal se desplazaba en su entorno.

Algunas neuronas descargaban con alta frecuencia únicamente cuando la rata se hallaba en un lugar determiado.

Diferentes neuronas tenían diferentes campos receptores espaciales; respondían cuando los animales estaban en ubicaciones diferentes. A estas neuronas se las denominó CÉLULAS DE LUGAR.

El hecho de que las neuronas de la formación hipocámpica tengan campos receptores espaciales no significa que cada neurona codifique una localización particular.Esta información se representa mediante determinadas pautas de actividad en circuitos formados por una gran cantidad de neuronas de la formación hipocámpica. En roedores en la región dorsal del hipocampo, en humanos en la posterior del hipocampo. El hipocampo recibe su información espacial del lóbulo parietal a través de la corteza entorrinal. (En monos) El daño de la corteza entorrinal altera los campos receptores espaciales de las células de lugar del hipocampo y afecta a la capacidad del animal de orientarse en tareas espaciales.

Estás células proporcionan información sobre algo más que el espacio. Las células no solo codificaban la localización de la rata en el laberinto, en la investigación, sino que también indicaban si la rata iba a girar realizando la prueba. Las células piramidales de CA1 codifican tanto la localización actual como el destino al que se pretende llegar.

Papel de la formación hipocámpica en la consolidación de la memoria

Tanto los estudios de neuroimagen funcional como los de los efectos de lesiones cerebrales en seres humanos, indican que la formación hipocámpica participa en la consolidación de la memoria espacial.

Los investigadores concluyen que estos hallazgos apoyan la hipótesis de que el hipocampo está implicado en la consolidación de la memoria espacial durante un tiempo limitado, y que el resultado de esta actividad es contribuir a que se establezcan memorias en la corteza cerebral.

La inactivación de varias regiones de la corteza cerebral deterioraba la capacidad de recuperación de recuerdos a los 30 días después del tratamiento, pero no a un día después.

El hipocampo es necesario para la información espacial aprendida recientemente, pero no para la que se aprendió 30 días antes. Sugiere pensar que en algún momento durante esos 30 días la corteza cerebral intervino en la retención de esta información.

Reconsolidación de las memorias

Reconsolidación Proceso de reconsolidación de la memoria que ocurre posteriormente a la consolidación original y que puede ser desencadenado por algo que recuerde el estímulo original. Se piensa que proporciona los medios para modificar los recuerdos existentes.

Las memorias pueden alterararse o conectarse con memorias más recientes.

Uno de los efectos colaterales del procedimiento llamado terapia electroconvulsiva -TEC- es un período de amnesia retrógrada. Se utiliza en los casos de depresión grave, y consiste en aplicar una corriente eléctrica mediante electrodos situados en el cuero cabelludo de una persona. La corriente activa tantas neuronas cerebrales que produce convulsiones. Estas borren las memorias a corto plazo existentes en ese momento, y por lo tanto, impiden que se consoliden.

Las memorias a largo plazo, que normalmente resultan afectadas por las convulsiones, eran vulnerables a la alteración provocada por el electrochoque si no se presentaba primero un recordatorio de la experiencia del aprendizaje original. Si se aplica justo después de una experiencia de aprendizaje impedía la consolidación, pero no si se aplicaba un día después.

Papel de la potenciación a largo plazo en la memoria

Los datos experimentales indican que la participación de la formación hipocámpica en el aprendizaje implica la potenciación a largo plazo.

Las células de lugar de la formación hipocámpica se activan cuando el animal se halla en una ubicación determinada. La información sensitiva llega a la circunvolución dentada desde la corteza entorrinal. Y claramente, el aumento de actividad ocasiona cambios en la excitabilidad de las neuronas de la formación hipocámpica. ( La fuerza de la PEP en el campo CA3 aumentaba).

Más recientemene y con mutaciones dirigidas del gen responsable de la producción de receptores de NMDA.

Se ha encontrado que la carencia de receptores de NMDA impedía el establecimiento de PLP en el campo CA1 del ratón con mutación dirigida. Y aunque las células piramidales de CA1 tenían campos receptores espaciales, estos campos eran más grandes y menos enfocados que los de los animales normales. Los pobres ratones knockout aprendieron lentamente.

Papel de la neurogénesis hipocámpica en la consolidación

En un cerebro adulto se pueden producir nuevas neuronas (¡qué bueno!) Los hemocitoblastos, células madre localizadas en la zona subgrnular del hipocampo se dividen y dan lugar a células granulares que migran a la circunvolución dentada y proyectan sus axones a lo largo del tracto de fibras musgosas. Se establecen nuevas conexiones con otras de la circunnvolución y con algunas del campo CA3.

Aumenta la proteína Fos en las neuronas recien formadas de la circunvolución, indicando que se activan estas neuronas, por lo tanto sí hay aumento en el aprendizaje relacional. En la neurogénesis no se ve cambio si el aprendizaje de las ratas es el de estímulo-respuesta.

Todo el proceso, creación de neuronas, maduración de las mismas y el establecimiento de conexiones, lleva mucho tiempo. Y es beneficioso a largo plazo.

Es desconocido actualmente el papel de la neurogénesis en el aprendizaje y la adaptación al entorno. Y también que sólo ocurra en dos zonas cerebrales: el bulbo olfativo y el hipocampo.