TEMAS ACTUALES EN NEUROCIENCIA Director: Francisco José Rubia Vila

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TEMAS ACTUALES EN
NEUROCIENCIA
Director: Francisco José Rubia Vila
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Bases neurobiológicas del
aprendizaje y la memoria
(Conferencia II)
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(Diapositiva 1)
Aprender es adquirir nuevos conocimientos, conductas, habilidades, y
valores. La memoria es el proceso por el que esas adquisiciones se
conservan en nuestro cerebro. Tanto el aprendizaje como la memoria
recorren las siguientes etapas: 1) codificación, en la que se adquieren
conocimientos y se consolidan; 2) almacenamiento, por la que se genera un
registro permanente de la información; 3) recuperación, por la que se utiliza la
información almacenada para crear una representación consciente o ejecutar
una conducta aprendida.
A finales del siglo XIX el italiano Eugenio Tanzi propuso que el paso de los
impulsos
nerviosos
por
las
sinapsis
neuronales
originaría
cambios
metabólicos que reducirían la resistencia sináptica. Supongo que es la
primera vez que se plantea que el aprendizaje depende de la modificación de
las conexiones entre las células nerviosas. Posteriormente, Ramón y Cajal
volvería a plantear que el aprendizaje no requería la formación de nuevas
neuronas, sino que suponía el fortalecimiento de las conexiones entre ellas.
Respecto a la primera parte, hoy se sabe que, en el hipocampo, una
estructura perteneciente al sistema límbico o cerebro emocional y que se
encuentra en la profundidad del lóbulo temporal, sí existe formación de
nuevas neuronas con el aprendizaje, aparte de que efectivamente se
modifiquen las sinapsis existentes por ese proceso. La formación de nuevas
neuronas o neurogénesis se conocía en el bulbo olfatorio, pero se suponía, al
menos así lo aprendí yo cuando era estudiante, que las neuronas no se
dividían. Hoy se busca incluso la neurogénesis en la corteza cerebral.
Ya en el siglo XX el canadiense Donald Hebb (Diapositiva 2) sostenía que
cuando una célula nerviosa excitaba a otra se producía un cambio metabólico
que aumentaba la eficacia de la primera célula sobre la segunda, lo que en la
bibliografía anglosajona se expresa con la frase: “neuronas que disparan
juntas se ensamblan juntas”, dando a entender que la utilización conduce a
un aprendizaje que se ha llamado “hebbiano” y que significa que la utilización
conduce a una facilitación de las sinapsis implicadas, haciéndose la conexión
más fuerte entre las neuronas (Diapositiva 3).
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En los años 70 del siglo pasado se descubre lo que se ha llamado
potenciación postsináptica y que fue observado en las neuronas del
hipocampo. La estimulación eléctrica de una vía nerviosa que establece
sinapsis con las neuronas de ese órgano provoca un aumento de la eficacia
de la transmisión nerviosa, quedando esa sinapsis modificada durante
semanas o incluso meses. A ese fenómeno se le atribuye la capacidad de
consolidar contenidos de memoria (Diapositiva 4).
El aprendizaje no sólo modifica las sinapsis, sino que se ha comprobado que
la privación sensorial es capaz de reducir considerablemente el número de
sinapsis en la región sensorial correspondiente. Si se tapan los ojos en
gatitos pequeños el número de sinapsis en la corteza visual se reduce. Lo
contrario es también cierto: el enriquecimiento de estímulos visuales produce
mayor número de sinapsis en esa región cerebral.
Esta plasticidad ha sido también observada en adultos, incluidos los
humanos. La representación somestésica o sensorial en la corteza
correspondiente (Diapositiva 5, 6) puede modificarse con la experiencia. Así,
la mano izquierda de los que utilizan instrumentos de cuerda como el violín,
la viola o el violonchelo tiene una representación mayor en la corteza
sensorial que la del resto de las personas.
Y respecto a la formación de nuevas neuronas mencionada anteriormente se
ha podido comprobar que el hipocampo, responsable de la memoria espacial,
de los taxistas londinenses es más grande que el de los demás ciudadanos
de Londres.
Es decir, que el cerebro humano adulto es capaz de modificar las conexiones
entre sus neuronas como resultado de la experiencia, o sea del aprendizaje.
Cuando aprendemos una nueva tarea es común copiarla de otras personas.
Para poder realizar esto son fundamentales las neuronas espejo, de las que
hablaremos en otro momento, células localizadas en el lóbulo frontal que
responden cuando realizamos un acto motor como alcanzar un objeto en el
espacio y cuando observamos el mismo movimiento en otras personas.
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La memoria no es un bloque uniforme. Hay diversos tipos de memoria. Hoy
se reduce a cinco tipos fundamentales: memoria episódica, semántica,
perceptiva, operativa y procedimental (Diapositiva 7).
La memoria episódica registra acontecimientos vinculados a un contexto, por
ejemplo, el recuerdo de un viaje, de una aventura amorosa. La memoria
semántica almacena conocimientos sobre uno mismo o sobre el mundo, por
ejemplo la fecha de nacimiento o que el Pisuerga pasa por Valladolid. La
memoria perceptiva es el recuerdo de una percepción antes de que adquiera
un significado, por ejemplo, una imagen o un sonido. La memoria operativa
es aquella que nos permite retener un número de teléfono, el tiempo
necesario para poderlo marcar; es la memoria que mantiene presentes las
informaciones necesarias en tiempo real para hablar, imaginar, reflexionar o
calcular. Cuando se utilizan dígitos, letras o palabras el número que se
retiene en la memoria a corto plazo suele ser de siete. Se desarrolla en el
primer año de vida.
Finalmente,
la
memoria
procedimental
se
refiere
al
aprendizaje
y
conservación de competencias, como montar en bicicleta, realizar cualquier
otro deporte, tocar un instrumento musical o caminar.
Estos cinco tipos de memoria se suelen agrupar en tres categorías: la
representación a largo plazo, que incluye las memorias perceptiva, semántica
y episódica; en segundo lugar, la memoria operativa y en tercer lugar la
memoria procedimental.
La memoria perceptiva, o sea, los recuerdos de imágenes o sonidos,
alimenta la memoria semántica y ésta, a su vez, alimenta la memoria
episódica.
En la segunda categoría, la memoria operativa, se suelen distinguir tres
circuitos que generan otras tantas facultades: el bucle fonológico, que permite
conservar las palabras durante una conversación; un administrador central,
que permite la posibilidad de elegir dónde se va a fijar la memoria operativa,
especialmente en tareas complejas. La tercera facultad es la agenda
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visuoespacial, que conserva en la mente una escena visual para poder
explorarla con el pensamiento.
La tercera categoría es la memoria procedimental, que permite aprender
habilidades motoras, o cómo solucionar tareas cognitivas como la resolución
de ecuaciones matemáticas. La memoria procedimental interactúa con la
memoria operativa y con las memorias de representación a largo plazo.
La codificación de la memoria a largo plazo se considera seriada, lo que
quiere decir que empieza por la memoria perceptiva, sigue con la memoria
semántica y termina con la memoria episódica.
Otra clasificación divide la memoria en memoria a largo plazo y memoria
sensorial, a corto plazo o memoria operativa (Diapositiva 8).
La memoria a largo plazo se divide en memoria declarativa y memoria no
declarativa. La primera se divide en memoria para acontecimientos, o
memoria episódica, y memoria para hechos, o memoria semántica. Ambas
dependen del lóbulo temporal medial, del diencéfalo medial y del neocórtex.
La memoria no declarativa o implícita se divide en memoria procedimental,
memoria perceptiva, condicionamiento clásico y aprendizaje no asociativo. La
memoria procedimental, con la que aprendemos habilidades motoras y
cognitivas, dependen de los ganglios basales y del cerebelo; la memoria
perceptiva
depende
de
la
corteza
sensorial
y
de
asociación;
el
condicionamiento clásico depende de los músculos esqueléticos y cuando es
un condicionamiento emocional depende de la amígdala, si no del cerebelo; y
el aprendizaje no asociativo, como la habituación depende de la
sensibilización de las vías reflejas.
Respecto a la primera clasificación y a las estructuras responsables, la
memoria episódica está ligada al hipocampo (Diapositiva 9), implicado tanto
en la adquisición como en la recuperación de recuerdos episódicos. La
corteza prefrontal izquierda (Diapositiva 10) estaría implicada en la
adquisición de recuerdos y la corteza prefrontal derecha, en la recuperación
de los recuerdos. La corteza parietal ejercería un control de los recuerdos, de
manera especial, los que incluyen una dimensión espacial. La memoria
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semántica depende de los lóbulos frontal y temporal izquierdos. La memoria
perceptiva depende de las áreas sensoriales primarias de la corteza cerebral.
El administrador central de la memoria operativa se vincula a la actividad del
lóbulo frontal, y la memoria procedimental depende del tálamo, del cerebelo y
del núcleo caudado de los ganglios basales.
En 1971 Joaquín Fuster obtuvo resultados en monos que indicaban que la
corteza prefrontal jugaba un papel en el almacenamiento de la memoria
operativa. Y en los años 80, Patricia Goldman-Rakic extendió estos
resultados a la corteza parietal. La memoria operativa nos permite hacer dos
cosas al mismo tiempo reteniendo la información de una tarea y pasar a la
otra y viceversa. También la utilizamos para recordar algo que tenemos que
hacer más tarde, lo que se ha llamado también memoria prospectiva, que se
supone sólo tiene lugar en humanos.
Es posible que lo que llamamos ‘yo’, para el que no existe ningún centro en el
cerebro, es un componente de la personalidad que se compone de
sensaciones y recuerdos conscientes e inconscientes. El yo sería una
representación mental formada por experiencias vividas y pensamientos
codificados en la memoria, las relaciones con otras personas y éxitos o
fracasos en nuestra actuación. Por todo esto, la memoria episódica, y
especialmente
la
memoria
autobiográfica,
son
importantes
para
la
construcción del yo. La memoria semántica también participa en esa
construcción del yo. Se cree que la memoria autobiográfica consta de la
memoria episódica y de la memoria semántica.
¿Cuál es el papel de las emociones en la memoria? Está claro que son
determinantes para la consolidación de los contenidos de la memoria.
Mientras mayor sea la carga emocional mejor quedarán grabadas las
vivencias en la memoria. Pero las emociones son, asimismo, importantes
para los recuerdos autobiográficos, episódicos. Mientras más intensa sea la
emoción asociada a un acontecimiento, más fácil será la recuperación y la
posibilidad de avivar su recuerdo.
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En relación con el aspecto temporal, la memoria ha sido dividida en memoria
a corto y a largo plazo. Se plantea la cuestión de si es necesaria la memoria
a corto plazo para pasar a la de largo plazo. Pero ha habido pacientes con
dificultades en la memoria a corto plazo debido a lesiones cerebrales que
conservan la capacidad de retener memorias a largo plazo. Estos resultados
indican que la memoria a corto plazo no es la vía por la que se llega a la
memoria a largo plazo.
El ejemplo contrario es el célebre paciente llamado H. M., que ahora se
conoce su nombre completo, Henry Molaison, tras su muerte en el año 2008.
El año 1953 HM fue operado por padecer ataques epilépticos continuos y
refractarios a tratamiento farmacológico. El neurocirujano le extirpó amplias
regiones de los lóbulos temporales, incluidos ambos hipocampos. La
consecuencia fue que a partir de ese momento el paciente sufrió de amnesia
anterógrada, o sea que no recordaba nada de lo que había vivido una hora
antes, aunque sí conservaba la memoria de lo experimentado antes de la
operación. Lo importante aquí es que este paciente que perdió la memoria a
largo plazo sí pudo conservar la memoria a corto plazo (perceptiva y
operativa), por lo que se concluye que ambas tienen localizaciones
cerebrales distintas.
Los trastornos de la memoria debidos a lesiones, enfermedades o traumas se
llaman amnesias, que pueden implicar o la incapacidad de aprender algo
nuevo o la pérdida de conocimientos previos o ambas cosas. Puede afectar
de manera diferencial la memoria a corto o a largo plazo.
Después de la adquisición de contenidos en la memoria comienza el proceso
de consolidación que tiene una fase inicial rápida y otra más lenta de
consolidación permanente. El hipocampo es esencial para el período inicial
de consolidación de memoria episódica, autobiográfica y semántica. El
neocórtex es fundamental para la consolidación permanente, en especial el
lóbulo temporal medial.
Estudios recientes indican que el sueño juega un papel crucial en el proceso
de consolidación tras el aprendizaje, así como en la toma de decisiones. Su
privación tiene efectos negativos en ambos procesos.
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Resumiendo los resultados obtenidos por lesiones en diferentes regiones
cerebrales podemos decir que el aprendizaje y retención de nuevas
informaciones autobiográficas (memoria episódica) requiere la integridad del
lóbulo temporal medial, sobre todo el hipocampo y estructuras relacionadas,
como el núcleo dorsomedial del tálamo (Diapositiva 11), cuyas conexiones
con el hipocampo parecen estar deterioradas en el síndrome de Korsakoff por
alcoholismo crónico, causado por falta de vitamina B1, tiamina, y que se
caracteriza por amnesia anterógrada y retrógrada. Se han localizado daños
en los cuerpos mamilares y en los núcleos mediodorsales del tálamo. Cuando
se lesionan estas estructuras se impide la formación de nuevas memorias
declarativas y su consolidación en la memoria a largo plazo.
Pacientes con amnesia pueden adquirir nuevas informaciones en la memoria
no declarativa (procedimental, perceptiva y operativa).
La amígdala no es importante para la memoria episódica, pero sí lo es para la
memoria emocional.
La memoria procedimental requiere la actividad de la corteza motora y
corteza motora suplementaria, el núcleo putamen de los ganglios basales
(Diapositiva 12), parte de la corteza parietal y cerebelo. En enfermos de
Parkinson, donde los ganglios basales no funcionan normalmente, los sujetos
tienen memoria episódica normal, pero son incapaces de aprender nuevas
habilidades motoras.
¿Qué ocurre a nivel celular durante el aprendizaje y la memoria? Para que
determinados contenidos se almacenen en la memoria hay que tener en
cuenta en primer lugar la llamada “Regla de Hebb”, que dice lo siguiente:
“Cuando un axón de una célula A está lo suficientemente cerca de una célula
B, como para excitarla, y participa repetida o persistentemente en su disparo,
ocurre algún proceso de crecimiento o cambio metabólico, en una o en
ambas células, de modo tal que aumentan tanto la eficiencia de A como la de
una de las distintas células que disparan a B”. Este postulado, que hoy se
admite, fue planteado por Hebb en el año 1949. También está aceptado el
potenciamiento a largo plazo y se ha descubierto una proteína llamada CREB
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(cAMP responsive element binding, proteína de unión a elemento de
respuesta al AMP cíclico) que, junto con otros dos factores, está asociada a
la formación de memoria a largo plazo. Para pasar de la memoria a corto
plazo a la memoria a largo plazo se requiere la síntesis de proteínas, así
como cambios estructurales en las neuronas implicadas. Sin la proteína
CREB no puede darse ese paso. Si se activa, el aprendizaje tiene lugar con
un menor entrenamiento.
Los factores moleculares que explican el paso de memoria a corto plazo a
memoria a largo plazo son: los genes del núcleo de la célula en cuestión que
se activan y sintetizan proteínas que refuerzan la sinapsis. La práctica y la
repetición son factores importantes. La proteína fosfatasa 1 y los
glucocorticoides limitan el aprendizaje y fomentan el olvido. La PP1 inactiva la
proteína CREB.
Los científicos se han preguntado cómo es posible que tengamos una
proteína que fomente el olvido. La respuesta sería que no es beneficioso
recordar todo lo que se vive. En la mitología griega, Lethe era uno de los
cinco ríos del Hades, el inframundo o infierno. Todos los que bebían de él
experimentaban un total olvido. Las sombras de los muertos tenían que beber
de estas aguas para olvidar su vida terrenal. En la Eneida de Virgilio se dice
que sólo cuando los muertos habían borrado sus memorias podían
reencarnarse.
El escritor argentino Jorge Luis Borges, en su colección de cuentos titulada
Ficciones relata el caso de Funes el memorioso, que sufre de hipermnesia,
es decir, de una memoria extraordinaria, y debido a ello carecía de la
capacidad de pensar. Pensar, decía Borges, es olvidar diferencias,
generalizar, abstraer. En el abarrotado mundo de Funes no había sino
detalles, casi inmediatos.
Los glucocorticoides, que se producen como consecuencia de estrés,
también interfieren en el aprendizaje y la formación de memoria. Tanto
niveles bajos, como en la enfermedad de Addison, que es una disfunción de
las glándulas suprarrenales, con disminución de la producción de
glucocorticoides, como niveles altos, en la enfermedad de Cushing, producida
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por un tumor de la hipófisis con superproducción de córticotropina y de
glucocorticoides, se produce una fatigabilidad e irritabilidad que impiden la
concentración. El estrés prolongado causa atrofia de las dendritas de las
neuronas del hipocampo. Sin embargo, un estrés moderado o bajo facilita la
memoria.
A la vista de estos datos, ¿qué podemos decir al docente para que lo tenga
en cuenta en el proceso de enseñanza al alumno o estudiante?
En primer lugar, que el ser humano puede aprender durante toda la vida, es
decir, que, aunque haya ventanas sensoriales y épocas en las que el
aprendizaje sea más fácil, eso no significa que haya edades en las que eso
no sea posible.
Hemos visto que el aprendizaje hace que las conexiones entre las células
nerviosas se refuercen y que la falta de información puede hacer que esas
conexiones se retraigan e incluso desaparezcan. Es, pues, correcta la
expresión en inglés: “use it or loose it”, o sea, “utilizálo o piérdelo”, o lo que es
lo mismo, que lo que decía Cajal de que el cerebro era como un músculo que
si no se utiliza se atrofia, es correcto.
Durante el desarrollo, sobre todo en la infancia, los estímulos sensoriales son
muy importantes porque hace que proliferen las sinapsis entre las neuronas.
Niños que se han criado en orfanatos sin muchos estímulos sensoriales y
afectivos
tienen
luego
importantes
deficiencias
en
su
conducta,
probablemente por falta de desarrollo en su cerebro.
En los primeros tres años, el cerebro crea más sinapsis de las que necesita,
por lo que el número de sinapsis aumenta siempre que se reciban los
correspondientes estímulos, pero tras ese periodo la creación de sinapsis se
enlentece hasta los 10 años. Sinapsis que no se usan desaparecen. En el
lóbulo frontal, las sinapsis siguen proliferando durante toda la niñez, e incluso
la adolescencia. La mielinización de las fibras continúa hasta mediados de los
20 años.
Los periodos críticos se caracterizan porque si no reciben los estímulos
adecuados, el aprendizaje de cualquier facultad ya no es posible. Por
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ejemplo, si un niño pequeño no ve la luz durante los primeros seis meses de
vida, los nervios ópticos degeneran y ya no es posible recuperar la visión. El
fenómeno descubierto por el etólogo Konrad Lorenz, que llamó “Prägung” en
alemán, “imprinting” en inglés, y en español “troquelaje” es otro ejemplo de
periodo crítico. Me refiero al hecho de que patitos que cuando salían del
huevo en vez de a su madre veían a Konrad Lorenz seguían a éste allí donde
iba (Diapositiva 13).
Existen periodos críticos y periodos sensibles en el desarrollo del niño. Los
periodos sensibles se refieren a la mejor oportunidad para ciertos tipos de
aprendizaje. Si no se aprende durante estos periodos no es que la
oportunidad desaparezca, pero el aprendizaje ya es más difícil. Es lo que
ocurre, por ejemplo, con el aprendizaje de un idioma.
Parece bien establecido que nacemos con un sentido del número, pero una
comprensión profunda del significado del cálculo no se alcanza hasta finales
del cuarto año de edad.
El cerebro no puede funcionar sin información y desde luego durante los
primeros seis años de vida, parece hambriento de ella. Es el mejor momento
para experiencias sensoriales de cualquier modalidad: visión, audición, olfato,
gusto y tacto.
Respecto al aprendizaje de la lectura, hay niños disléxicos que tienen graves
dificultades. La dislexia es relativamente frecuente (aprox. un 5% de la
población) y se da en familias, lo que indica un origen genético. Muchos niños
disléxicos tienen también problemas en el lenguaje hablado y en la memoria
verbal. También pueden tener deficiencias en la atención o problemas
visuales, confundiendo la forma de letras, como la ‘b’ de la ‘d’, o la ‘p’ de la ‘q’
(Diapositiva 14). Otros tienen problemas en la audición.
Se han encontrado anormalidades, tanto macroscópicas como microscópicas
en regiones cerebrales responsables del procesamiento del lenguaje, por lo
que no existe una cura completa de este déficit, pero puede mejorarse mucho
con el aprendizaje y una enseñanza especializada.
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Es necesario tener en cuenta, como se dijo al principio, que el cerebro adulto,
al menos en algunas regiones, es tan maleable como el cerebro del niño. Ya
mencionamos los ejemplos de los que tocan instrumentos de cuerda y del
hipocampo de los taxistas de Londres. También los que tocan el piano tienen
una mayor representación de los dedos en las regiones motoras
correspondientes.
En relación con la enseñanza es, asimismo, importante poder juzgar lo que el
alumno sabe sobre un determinado tema, conseguir que el alumno preste
atención a lo que se dice y alertarlo de que se le va a comunicar algo
importante y útil para él.
También son relevantes los trucos retóricos que se conocen desde la
antigüedad, como exageraciones, repeticiones e ironía. Y todo depende de
saber leer la mente de los que escuchan. Es necesario conocer las actitudes
y creencias de los oyentes. El éxito depende a veces de técnicas
persuasivas, como la adulación, las promesas de gratificación e incluso las
amenazas, aunque es más fácil utilizar recompensas.
Todas estas recomendaciones no deben olvidar que en la enseñanza, a mi
juicio, es fundamental establecer una relación afectiva con el alumno. Esa
relación es la que genera una confianza que resulta imprescindible para
vencer resistencias y establecer lazos que van a hacer mucho más fácil
cualquier transmisión de conocimientos.