El aprendizaje es un proceso complejo que implica cambios en el cerebro a nivel celular y de circuitos neuronales. Estos cambios están en constante interacción para permitir la adquisición y consolidación de nueva información y habilidades.
Tanto el aprendizaje como la memoria presentan cambios en las neuronas que facilitan el almacenamiento de la nueva información; esto implica que las neuronas son plásticas, flexibles.
Aprendizaje y plasticidad neuronal
El aprendizaje y la plasticidad neuronal son conceptos clave en el campo de la neurociencia que tratan sobre cómo el cerebro se adapta y cambia en respuesta a nuevas experiencias, información y entornos.
El aprendizaje es el proceso mediante el cual adquirimos y almacenamos nuevos conocimientos y habilidades a lo largo de nuestra vida. El aprendizaje está estrechamente relacionado con la memoria, que es la capacidad de almacenar y recuperar información adquirida previamente.
La plasticidad neuronal, también conocida como neuroplasticidad, es la capacidad del cerebro para adaptarse y reorganizarse a lo largo de la vida. Esta propiedad del cerebro es fundamental para el aprendizaje y la formación de nuevas memorias. La plasticidad neuronal se manifiesta de diversas maneras, como el crecimiento de nuevas neuronas (neurogénesis), el fortalecimiento o debilitamiento de las conexiones sinápticas (sinapsis) entre las neuronas, y la creación de nuevas conexiones (sinaptogénesis).
Existen diferentes tipos de plasticidad neuronal:
- Plasticidad estructural: Se refiere a los cambios en la morfología y número de neuronas y sinapsis en respuesta a nuevas experiencias y aprendizaje.
- Plasticidad funcional: Involucra cambios en la eficacia de las sinapsis existentes, lo que puede resultar en un aumento o disminución de la transmisión de señales entre las neuronas.
- Potenciación a largo plazo (LTP): LTP es un proceso que fortalece las conexiones sinápticas a través de la estimulación repetida, mientras que LTD es un proceso que debilita las conexiones sinápticas. Estos procesos son fundamentales para la consolidación de la memoria y el aprendizaje.
- Plasticidad homeostática: Es un mecanismo de autorregulación que permite a las neuronas mantener un equilibrio en su actividad, evitando la hiperexcitabilidad o la inhibición excesiva.
La memoria parece ser el resultado de cambios en la fuerza de las sinapsis entre las neuronas de redes neuronales que procesan y almacenan información.
La plasticidad neuronal es un proceso dinámico que permite al cerebro adaptarse a lo largo de la vida y es esencial para la recuperación y rehabilitación después de lesiones cerebrales o enfermedades neurodegenerativas. La investigación en este campo sigue avanzando y proporciona información valiosa sobre cómo el cerebro funciona y cómo podemos mejorar nuestras habilidades cognitivas y de aprendizaje.
Cambios neuronales asociados al lenguaje
Cuando aprendemos algo nuevo, se producen cambios en el cerebro a nivel celular y molecular que alteran la estructura y función de las redes neuronales. Estos cambios son esenciales para la formación y consolidación de nuevas memorias. Algunos de los cambios neuronales más relevantes que ocurren durante el aprendizaje incluyen:
- Modificación sináptica: El aprendizaje y la memoria están relacionados con cambios en la fuerza de las conexiones sinápticas entre las neuronas. Las sinapsis son puntos de contacto donde las neuronas se comunican entre sí mediante la liberación de sustancias químicas llamadas neurotransmisores. Durante el aprendizaje, las sinapsis pueden fortalecerse (potenciación sináptica) o debilitarse (depresión sináptica) en función de la actividad neuronal. La plasticidad sináptica es una característica clave de la memoria y el aprendizaje.
- Neurogénesis: El proceso de generación de nuevas neuronas a partir de células madre neuronales se llama neurogénesis. Aunque el proceso es más activo durante el desarrollo embrionario, la neurogénesis adulta ocurre en ciertas áreas del cerebro, como el hipocampo, que está involucrado en la formación de nuevas memorias. El aprendizaje y la estimulación cognitiva pueden promover la neurogénesis y la integración de nuevas neuronas en los circuitos cerebrales.
- Dendritogénesis y espinas dendríticas: Las dendritas son extensiones ramificadas de las neuronas que reciben señales de otras neuronas. Durante el aprendizaje, las dendritas pueden experimentar cambios en su estructura y número de ramificaciones, lo que se conoce como dendritogénesis. Además, las espinas dendríticas, que son pequeñas protrusiones en las dendritas donde ocurren las sinapsis, también pueden cambiar en cantidad y forma en respuesta al aprendizaje.
- Reorganización de circuitos neuronales: El aprendizaje implica la reorganización de los circuitos neuronales para adaptarse a nuevas demandas cognitivas. Esta reorganización puede involucrar la activación de nuevas áreas cerebrales, la formación de nuevas conexiones sinápticas (sinaptogénesis) y la reasignación de funciones a diferentes regiones cerebrales (plasticidad cortical).
- Cambios moleculares y genéticos: El aprendizaje también está asociado con cambios en la expresión de genes y la producción de proteínas en las neuronas. Estos cambios pueden afectar la función y estructura de las neuronas y sus sinapsis. Algunas proteínas importantes en el aprendizaje incluyen factores de crecimiento neuronal, como el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), y proteínas que participan en la modificación de la estructura de la cromatina, como las histonas.
Todos estos cambios neuronales trabajan juntos para permitir que el cerebro se adapte y forme nuevas conexiones en respuesta a nuevas experiencias y conocimientos. La investigación en este campo continúa ampliando nuestra comprensión de cómo el cerebro aprende y se adapta a lo largo de la vida.
La Potenciación a Largo Plazo (LTP) del hipocampo y la memoria
Desde finales de los años sesenta los investigadores han buscado los mecanismos que hay detrás de este tipo de plasticidad en el aprendizaje y la memoria. Como la formación hipocampal se ha mostrado muy importante para la memoria, se ha hipotetizado que sus neuronas deben ser plásticas, es decir, que son capaces de cambiar sus interacciones sinápticas.
En 1973 en Noruega, Tim Bliss y Terje Lomo hicieron un gran descubrimiento sobre el hipocampo, observaron que la estimulación eléctrica breve y de alta frecuencia de algunos circuitos excitatorios de la formación hipocampal, produce un aumento en la fuerza de las sinapsis estimuladas, el cual puede durar a largo plazo. Este efecto se conoce como potenciación a largo plazo (LTP siglas en inglés).
Este aumento en la fuerza de las sinapsis es un cambio plástico que desemboca en un aumento a largo plazo (horas, días o, incluso, semanas) de los potenciales postsinápticos. Estos cambios fisiológicos duraderos podrían ser algunos de los responsables del aprendizaje.
El neurotransmisor implicado en la LTP que se encuentra en el hipocampo y es el glutamato y los receptores para la LTP son los NMDA (un tipo de receptor de glutamato presente en las sinapsis neuronales, que participa en la regulación del potencial excitatorio postsináptico, en la plasticidad neuronal, el aprendizaje y la memoria).
La LTP se produce principalmente en regiones del cerebro involucradas en el aprendizaje y la memoria, como el hipocampo y la corteza cerebral.
La LTP se ha podido demostrar en varias estructuras neurales como el neocórtex, la amígdala, el neoestriado, el cerebelo y, incluso, la médula espinal. No obstante, se ha estudiado más frecuentemente en las tres sinapsis del hipocampo.
Los cambios morfológicos de las sinapsis neuronales
Un cambio que acompaña la LTP es una alteración en la estructura de las sinapsis, ya que tras la LTP, pueden brotar más espinas dendríticas en las células postsinápticas, produciendo también un incremento en el número de botones presinápticos.
Aparte de modificar las proteínas existentes, por ejemplo, fosforilas, también hay datos que indican que el mantenimiento de la LTP a largo plazo depende de la síntesis de nuevas proteínas. Una posible diana de estas nuevas proteínas podría ser la producción de neurotrofinas, moléculas que son reguladas por la actividad neural y que tienen la capacidad de promover cambios morfológicos y aumentar la conectividad. Esto permitiría más contactos sinápticos con los axones. Entonces, tras la LTP, un único axón puede hacer múltiples sinapsis con la misma neurona postsináptica, lo que permitiría un aumento en la respuesta de las neuronas.
Relación entre la LTP y la memoria
Hay diferentes paralelismos entre las propiedades de la LTP y la memoria.
- La LTP es una característica importante de la fisiología del hipocampo, estructura muy relacionada con la memoria.
- La LTP se desarrolla muy rápidamente y puede durar mucho tiempo, como sería de esperar en un mecanismo de memoria.
- La LTP presenta especificidad: sólo aquellas sinapsis activadas durante la estimulación son potenciadas. Este es un fenómeno paralelo a nuestros recuerdos, ya que recordamos episodios específicos diferentes relacionados con una misma persona u objeto. Por ejemplo, recordemos una cita específica que tuvimos con una persona y no las otras citas, o recordamos donde hemos aparcado el coche hoy pero no la semana pasada.
- La LTP es asociativa: ocurre mejor cuando múltiples inputs son activados durante la estimulación. En el aprendizaje a menudo asociamos estímulos, estímulos con respuestas, etc.
Tal como se ha explicado la LTP, se puede pensar que es sólo un fenómeno de laboratorio que tan sólo se produce artificialmente. Podría ser que no reflejara lo que pasa cuando se almacenan los recuerdos reales. Cabe preguntarse, pues:
Al parecer, el almacenamiento de la memoria utiliza la LTP, pues se ha podido observar que si se bloquean los receptores NMDA los animales no pueden aprender una tarea de aprendizaje espacial realizada en un laberinto de Morris. El laberinto de Morris consiste en una piscina redonda con agua blanquecina que contiene una plataforma escondida. Las ratas aprenden a nadar hacia la plataforma, cada vez más rápido y de manera más directa, y así escapan del agua (las ratas son buenas nadadoras, pero no les gusta mucho estar metidas en el agua). En cada ensayo, los animales son introducidos en la piscina desde un lugar diferente y aprenden a dirigirse hacia la plataforma guiándose por los estímulos del ambiente, como por ejemplo, los estímulos que hay en las paredes de la habitación donde se encuentra la piscina.
Este tipo de memoria espacial se considera declarativa, ya que es flexible: el animal puede alcanzar la plataforma comenzando su trayecto desde lugares donde no había sido ubicado antes.
Con estudios de knock-outs se ha podido demostrar que los animales que no tienen una subunidad del receptor NMDA en la región CA1 del hipocampo no presentan LTP y son mucho más lentos en aprender el laberinto de Morris, además, si se aumenta el número de receptores NMDA se facilita el aprendizaje de algunas tareas.
¿Qué papel tiene la LTP en el almacenamiento de la memoria?
Como ya hemos comentado, la potenciación a largo plazo juega un papel crucial en el almacenamiento de la memoria en el cerebro. La LTP es un proceso por el cual las conexiones sinápticas entre las neuronas se fortalecen en respuesta a la estimulación repetida, lo que lleva a un aumento en la eficiencia de la transmisión de señales entre las neuronas. Este fortalecimiento sináptico es un mecanismo clave para la formación y consolidación de nuevas memorias.
Durante el proceso de aprendizaje, las neuronas en estas áreas se activan repetidamente, lo que lleva a cambios a nivel sináptico. Estos cambios incluyen:
- Aumento de la liberación de neurotransmisores: La LTP puede aumentar la cantidad de neurotransmisores, como el glutamato, liberados en la sinapsis. Esto mejora la transmisión de señales entre las neuronas y facilita la formación de memorias.
- Cambios en la sensibilidad de los receptores postsinápticos: La LTP también puede aumentar la sensibilidad de los receptores en la neurona postsináptica, lo que permite que la neurona responda de manera más eficiente a los neurotransmisores liberados por la neurona presináptica.
- Cambios estructurales en las sinapsis: La LTP puede inducir cambios en la morfología y estructura de las sinapsis, como el crecimiento de espinas dendríticas y la formación de nuevas conexiones entre las neuronas. Estos cambios estructurales pueden mejorar la capacidad de las neuronas para comunicarse y almacenar información.
La LTP es un proceso que se cree que está en la base de la memoria a largo plazo. Al fortalecer las conexiones sinápticas entre las neuronas que se activan juntas durante el aprendizaje, la LTP permite que estas redes neuronales almacenen información de manera más duradera. A medida que estas conexiones se refuerzan, se forma un «rastro» de memoria en el cerebro, lo que facilita la consolidación de la memoria y la capacidad de recordar información más adelante.
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