Neurobiología de los sistemas

de aprendizaje y memoria

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NEUROBIOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE APRENDIZAJE Y MEMORIA

RESUMEN CONCEPTUAL

  • El estudio de las bases neurales del aprendizaje y la memoria se ha nutrido de un considerable número de trabajos, los cuales se han servido tanto de modelos de laboratorio con animales, como de estudios con humanos utilizando modernas técnicas de neuroimagen funcional.

  • En el presente capítulo se ofrecerá una taxonomía de los procesos de aprendizaje y memoria adoptando diferentes criterios. El estudio del aprendizaje y la memoria bajo un criterio funcional nos permitirá entender qué es la memoria explícita y cuáles son las características de la memoria implícita, basándonos en la distinción de aquellos procesos sin acceso  a la consciencia o implícitos  y aquellos de los que somos conscientes de su aprendizaje y recuerdo, o explícitos.

  • El estudio del aprendizaje y la memoria implícitos nos conducirá al análisis de los mecanismos fisiológicos del aprendizaje asociativo (hebbiano) y no asociativo (habituación y sensibilización), de las particularidades del aprendizaje perceptivo (priming o facilitación) y de los aprendizajes y memorias basados en el condicionamiento clásico e instrumental, para concluir analizando los mecanismos neuroanatómicos y funcionales del aprendizaje de destrezas o aprendizaje procedimental.

  • Posteriormente, examinaremos los sistemas dedicados a los tipos del aprendizaje y memoria explícita de tipo episódico y semántico, para las cuales se detalla un modelo basado en un sistema anterior y en otro sistema posterior. De igual forma, profundizaremos en la diferencia de los tipos de memoria que precisan de la actividad del hipocampo, en comparación con aquellos tipos de aprendizaje y memoria para los cuales ésta no resulta indispensable (memoria dependiente y no dependiente del hipocampo).

  • Finalmente, abordaremos el estudio del aprendizaje y la memoria considerando un criterio temporal cuantitativo (memoria inmediata, a corto plazo y a largo plazo). En este sentido, se discutirá con detalle el papel tanto de la corteza prefrontal como de las regiones posteriores en los diferentes tipos de memoria inmediata y de trabajo.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE:

  • Familiarizarse con las principales taxonomías de los sistemas de aprendizaje y memoria.

  • Conocer los sustratos neuronales de la memoria visual, auditiva y somatosensorial.

  • Aprender el papel del lóbulo temporal medial en la formación de nuevos recuerdos.

  • Distinguir los sistemas neurales responsables de la memoria implícita y explícita.

  • Aprender los procesos nuerobiológicos involucrados en la memoria procedimental y la formación de hábitos.

  • Estudiar la implicación de la corteza prefrontal en la dimensión temporal de la memoria.

INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DEL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA

La investigación del aprendizaje y la memoria desde la neurociencia cognitiva ha revelado la existencia de múltiples sistemas, los cuales se pueden dividir en cuatro categorías funcionales (p. ej. declarativa frente a procedimental), en cuanto a su sede neural (dependiente frente a no dependiente del hipocampo), o mediante la adopción de un criterio temporal cuantitativo (inmediata, a corto plazo y a largo plazo).

Actualmente se sabe que varias regiones cerebrales desempeñan un papel diferencial en distintos tipos de memoria y en diversos estadios del proceso mnésico. Por ejemplo, el sistema neural del lóbulo temporal medial –compuesto por la corteza entorrinal, perirrinal, parahipocampal y el hipocampo- es crítico para la codificación y la consolidación del conjunto de memorias que son accesibles a la conciencia y que, por lo tanto, pueden explicarse. Sin embargo, éste no es un sistema en el que se almacenan permanentemente dichas memorias y tampoco parece ser necesario para la codificación y consolidación de otro tipo de memorias, por ejemplo, el conocimiento acerca de cómo montar en bicicleta. Por lo tanto, como se ha comentado, se pueden dividir los sistemas de memoria tomando diferentes perspectivas.  Según el criterio categórico se puede diferenciar entre memoria explícita (o declarativa-consciente) y memoria implícita (o no declarativa-inconsciente). Según el criterio temporal (cuantitativo), se puede distinguir entre memoria inmediata (que dura desde milisegundos a segundos), memoria a corto plazo (desde minutos hasta unas pocas horas) y memoria a largo plazo (a partir de 24 horas). De la conjunción de ambos criterios (temporal y categórico) surge la taxonomía ilustrada en la figura 1.

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Figura 1 Clasificación del aprendizaje y la memoria. En este modelo, la memoria a largo plazo se divide en dos sistemas. El primero incluye a la memoria caracterizada por su recuperación consciente, denominada memoria declarativa o explícita. El otro sistema comprende diversas capacidades de aprendizaje y memoria inconscientes, y se denomina memoria no declarativa o implícita. La memoria explícita consiste en dos subsistemas: memoria de tipo episódico, la cual implica memorias de información sujeta a parámetros espaciotemporales, y memoria semántica, que consiste en hechos y conocimiento de tipo general. La memoria semántica es impersonal e independiente del contexto, mientras que la memoria episódica es personal. Ésta incluye el dónde y el cuándo los eventos ocurrieron, y se acompaña de un sentimiento de recuperación de episodios vividos de forma individual. Tanto la memoria episódica como la semántica dependen del lóbulo temporal medial y del diencéfalo. La memoria no declarativa o implícita incluye aprendizaje procedimental de habilidades y hábitos sensoriomotores y cognitivos, priming, aprendizaje por condicionamiento, habituación y sensibilización, todos ellos independientes del lóbulo temporal medial.

Concepto actual de aprendizaje y memoria

El aprendizaje es una propiedad fundamental del cerebro que se manifiesta de diversas formas mediante múltiples sistemas diferenciados anatómica y funcionalmente. El entorno modifica nuestro comportamiento, en tanto que es capaz de inducir cambios en nuestro sistema nervioso. Los mecanismos principales por los que las experiencias modifican la conducta se hallan íntimamente relacionados con el aprendizaje,  ya que éste constituye el proceso por el cual se adquiere nueva información o conocimiento. Por su parte, la memoria constituye el mecanismo por el que este conocimiento es codificado y, más adelante, recuperado.

Yevgeniy Nikolaievich Sokolov consideraba ya la memoria como la conservación de la información proporcionada por una señal tras la suspensión de la acción de dicha señal. Aleksander Romanovich Luria  definió la memoria como el grabado, la retención y la reproducción de las huellas de la experiencia que permiten acumular información. A mediados de la década de 1980, Endel Tulving afirmaba que la memoria es la habilidad de los organismos para retener y usar la información adquirida, y a finales de la misma década, Larry R. Squire consideraba el proceso de aprendizaje como la adquisición de nueva información. Por otra parte, Bryan Kolb e Ian Q. Whishaw (20002) postulan que el aprendizaje es un cambio relativamente permanente en la conducta de un organismo como resultado de la experiencia. Bryan Kolb e Ian Q. Whishaw se refieren a la capacidad de recordar las experiencias previas, por lo cual, la memoria implica la fabricación de representaciones mentales, las que se denominan huellas de memoria. Se presupone que dichas huellas implican cambios estructurales y funcionales en el cerebro.

En definitiva, el proceso de aprendizaje y memoria conlleva una modificación asociada a la experiencia, que puede perdurar más o menos en el tiempo. En la actualidad, sabemos que ambos procesos implican una gran diversidad de estructuras cerebrales que son capaces de funcionar independientemente o en paralelo de forma cooperativa, sinérgica o competitiva.

Aprendizaje basado en la actividad asociativa de las neuronas: aprendizaje hebbiano

Tal como se ha señalado, la neurociencia cognitiva moderna debe mucho de su bagaje al psicólogo de origen canadiense, Donald O. Hebb. Hebb demostró que la coincidencia entre la actividad presináptica y postsináptica de las neuronas fortalece las interconexiones entre ellas, lo cual se cono ce como el principio de Hebb. Bajo este principio se entiende que «la relación ente la neurona presináptica y la postsináptica se puede ver alterada si la neurona presináptica forma parte en rrepetidas ocasiones de la excitación de la neurona postsináptica» (fig. 2).

Cuando el axón de la célula 1 está espacialmente cerca del axón de la célula 2 y, por lo tanto,  puede contribuir a excitarla de forma repetida, la eficacia de la célula 1 para excitar  o activar a la célula 2 aumenta sensiblemente. De tales concepciones se derivó la idea de que dos células que se hallan activas de forma simultánea tienden a asociarse, de forma que la activación de una de ellas facilita la activación de la otra. En consecuencia, si dos neuronas que activan una región determinada lo hacen al mismo tiempo, podrán establecer conexiones con neuronas intermedias comunes, por lo cual, su actividad irá indefectiblemente asociada. Es importante destacar que dicho patrón de comunicación neural simultánea es clave en los mecanismos fisiológicos asociados al aprendizaje y la memoria, como la potenciación a largo plazo  y resulta esencial para explicar formas de aprendizaje basadas en condicionamiento y aspectos del aprendizaje emocional. Este mecanismo asociativo de la actividad neural como condición básica para la formación de memorias y aprendizajes conocido como principio de Hebb ha quedado resumido en la célebre expresión neurons that fire together, wire together  («las neuronas que disparan juntas, se conectan entre sí»). En este sentido, un modelo general seguido por diversos autores se basa en la hipótesis de la huella dual, la cual trata de explicar el proceso de formación de memorias en dos pasos: en primer lugar, se daría un proceso breve mediante el cual la experiencia genera un patrón de activación que reverbera en los circuitos neurales que se han activado. Esta actividad reverberante mantiene la información en la memoria durante un lapso de tiempo breve. Si la reverberación alcanza un umbral determinado, se podría formar una huella de memoria a largo plazo.

Puesto que las experiencias humanas no suelen codificarse en sinapsis individuales, Hebb acuñó el término que conocemos como asambleas (o ensamblajes) neuronales (cell assemblies), que son grandes grupos de neuronas que trabajan al mismo tiempo, dado que se han activado de forma simultánea y mantienen conexiones recurrentes. Las asambleas neuronales permiten llegar a representaciones completas (recuerdos) a través de la activación de unos pocos elementos de la red neuronal. La red completa constituiría la sede del depósito de memorias distribuidas por un conjunto de neuronas y sus conexiones. Estímulos específicos activarían elementos concretos de la red, y las conexiones recurrentes entre los elementos de la red permitirían su activación y el acceso a la representación completa. Dicha actividad en red implica que células distantes del cerebro puedan trabajar juntas.

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Figura 2 Reforzamiento sináptico según Hebb. En condiciones de estimulación normal, una neurona presináptica (A) genera un potencial excitatorio postsináptico (PEP) moderado sobre una neurona postsináptica (B) que resulta insuficiente para provocar la excitación de la neurona postsináptica. Sin embargo, si ambas neuronas (A y B) se hallan activas al mismo tiempo (están generando potenciales de acción simultáneamente), la conexión entre ambas se ve reforzada. Por lo general, una neurona adicional (C) puede participar concomitantemente con la neurona A en la despolarización de la neurona B, favoreciendo la excitación de ésta y el proceso de fortalecimiento sináptico. Una sinapsis fortalecida entre la neurona A y la neurona B implica que la neurona B responde de forma aumentada con un incremento en su despolarización (PEP) a la estimulación realizada por la neurona A, la cual pasa a ser capaz de provocar por sí misma la excitación de la neurona B; es decir, ante la estimulación realizada por la neurona A, la neurona B responde produciendo un potencial de acción (PA).

APRENDIZAJE Y MEMORIA IMPLÍCITOS

El aprendizaje implícito engloba aquellas formas de aprendizaje que son independientes de la conciencia y de la integridad del lóbulo temporal medial (por ello, también suele denominarse aprendizaje no consciente y aprendizaje no hipocampo dependiente). Diariamente las personas realizan una serie de aprendizajes que son probablemente implícitos. Con frecuencia, llevan a cabo tareas que pueden enseñarse  y aprenderse de forma fácil con el modelado o la repetición. Por ejemplo, si en un contexto experimental se proporciona a los individuos de investigación un conjunto de estímulos generados teniendo presente una serie de reglas simples, pero sin que éstas sean comunicadas a los participantes, inconscientemente los individuos experimentales inferirán sus regularidades. Los niños aprenden el lenguaje sin etiquetar las palabras que escuchan como nombres, adjetivos o verbos. Ellos prestan atención a los sonidos del habla, aprendiendo de forma implícita las regularidades subyacentes. En muy pocas ocasiones se tiene conciencia de los patrones abstractos del mundo circundante (las progresiones armónicas de una sinfonía, las regularidades de la gramática, las pinceladas en una obra de arte, etc).

El modelado es un proceso de aprendizaje por observación en el que la conducta de un individuo o un grupo de individuos actúa como estímulo para generar conductas semejantes en otros individuos que observan la actuación del modelo (o demostrador). Una gran parte del aprendizaje en los seres humanos consiste en un aprendizaje observacional por modelado.

El aprendizaje implícito es difícil de expresar verbalmente (por ello, también se denomina no declarativo), pero puede mostrarse conductualmente a través de pautas de acción. Su adquisición suele ser gradual y se aprende y perfecciona a través del modelado y la práctica. El aprendizaje implícito no depende de la voluntad del individuo, aunque en algunas de las fases del aprendizaje sea necesaria la intervención de procesos conscientes. La memoria implícita es más rígida y difícilmente modificable que la memoria explícita, y tiene un carácter más duradero que ésta, siendo más resistente a las lateraciones que cursan con déficit de memoria y al envejecimiento normal.

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Se puede agrupar el aprendizaje implícito en aprendizaje no asociativo (habituación y sensibilización), priming (o facilitación), aprendizaje asociativo (condicionamiento clásico y condicionamiento instrumental) y aprendizaje y memoria procedimentales. El aprendizaje y la memoria implícitos residen en circuitos neuronales diferentes a los que subyacen a la memoria explícita y que son más antiguos desde un punto de vista filogenético, por lo que el daño en las estructuras relevantes para la memoria declarativa (hipocampo, corteza hipocampal, etc.) puede dejar intacta la capacidad de aprender de modo implícito.

Aprendizaje no asociativo: habituación y sensibilización.

El aprendizaje no asociativo engloba las formas más sencillas de aprendizaje: la habituación y la sensibilización. Estas formas de aprendizaje se producen por la mera exposición a estímulos, sin que opere ningún proceso asociativo entre los propios estímulos o entre las acciones y sus consecuencias.

La habituación y la sensibilización modifican la intensidad de la respuesta ante determinados estímulos, aunque en sentido opuesto.

La habituación consiste en la reducción de la magnitud de la respuesta conductual ante un estímulo, o conjunto de estímulos, generalmente inocuos, que se repiten con frecuencia en un breve periodo de tiempo.

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Por ejemplo, imagine que se encuentra en clase y salta la alarma de un coche en la calle. En los primeros momentos de este hecho llamará su atención, pero si se mantiene en el tiempo, y el volumen permite seguir las explicaciones del profesor, dejará de prestar atención al sonido de  la alarma y se centrará en atender al docente. La habituación es el aprendizaje que hace que la persona deje de sobrecogerse cuando oye ruidos intensos con los que ya está familiarizada.

La sensibilización es el proceso que provoca que la respuesta a un estímulo, normalmente intenso, nocivo o que provoca miedo sea más intensa de lo normal, por haberse presentado anteriormente un estímulo que ha causado un sobresalto inicial.

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Por ejemplo, una va andando por un callejón oscuro; de repente oye un ruido extraño y se sobresalta porque piensa que puede haber alguien escondido que pretende robarle o hacerle daño;  al final descubre que era un gato, pero al salir del callejón una persona le toca el hombro y le pregunta por la hora. En este caso, el sobresalto estará muy por encima de lo normal, ya que el miedo que la persona pasó en el callejón ante el ruido provocado por el  gato la ha sensibilizado.

Aunque en ambos casos se trata de aprendizajes no asociativos, existen grandes diferencias entre los dos procesos. La habituación es específica tanto de los estímulos que la originaron como de la respuesta conductual que se vio reducida. Por el contrario, la sensibilización tiene un carácter inespecífico, es generalizable a una gran variedad de estímulos y respuestas. Además, la habituación se produce tras la exposición repetida  al estímulo, mientras que la sensibilización ocurre tras la aparición única de un estímulo con gran impacto emocional. Por último, ambos procesos difieren en su duración, ya que la habituación puede prolongarse en el tiempo y la sensibilización, normalmente, se limita a un corto periodo temporal.

 

 

Mecanismos fisiológicos de la habituación y la sensibilización

Gran parte del conocimiento sobre los mecanismos implicados en la formación de aprendizajes simples como la habituación y sensibilización o el condicionamiento clásico derivan de experimentos realizados sobre el caracol marino Aplysia californica. La elección por parte de los investigadores de este modelo invertebrado radica en la simplicidad de su sistema nervioso. Con apenas 20,000 neuronas centrales y de gran tamaño, facilita la tarea de estudiar células individuales y seguir sus modificaciones durante el curso de la adquisición de nuevos aprendizajes y la consolidación de la memoria.

El sistema más estudiado en este invertebrado marino es el reflejo de retirada de la branquia (fig. ). Este sistema puede verse modificado por diferentes formas de aprendizaje implícito no asociativo (como la sensibilización) o asociativo (como el condicionamiento clásico). Muchas de las características conductuales de estos aprendizajes en Aplysia aparecen igualmente en mamíferos, lo cual hace pensar en la existencia de mecanismos moleculares y sinápticos compartidos. Dicho paralelismo valida a su vez la utilización de este modelo invertebrado para esclarecer los mecanismos implicados en el aprendizaje y la memoria de mamíferos superiores.

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Figura 3. A) Anatomía básica de Aplysia californica. B) Esquema de la vía neural implicada en la habituación del reflejo de retirada de la branquia de Aplysia. C) Esquema de la vía neural implicada en la sensibilización del reflejo de retirada de la branquia de Aplysia.

Como representa la figura 3, en la Aplysia el órgano respiratorio (branquial) se halla conectado en el sifón (tubo carnoso derivado del manto empleado para expulsar el exceso  de agua marina) por un circuito relativamente sencillo que implica neuronas sensoriales que intervienen en el proceso de la estimulación del sifón y conectan con interneuronas que hacen de estación de paso para conducir la información sensitiva hasta las motoneuronas que controlan el movimiento de la branquia. Una breve estimulación táctil del sifón provoca la retracción refleja de la branquia. Si se presenta de forma repentina el mismo estímulo,  la respuesta de retirada de la branquia disminuye, produciéndose una clara habituación. Por otro lado, el reflejo de retirada de la branquia puede volverse más intenso por un proceso de sensibilización. Toda vez que se experimenta que un estímulo es nocivo, se produce un aumento de las respuestas reflejas defensivas, que se pueden generalizar a otros estímulos inocuos o igualmente nocivos. Así, por ejemplo, para observar un incremento en la respuesta de contracción de la branquia basta con aplicar una descarga eléctrica en la cola de la Aplysia, emparejada con una estimulación no nociva y moderada del sifón. Este aumento en la respuesta de contracción, inicialmente inducido por la estimulación nociva, se observará igualmente tras estimulaciones posteriores no nocivas del sifón (Fig. 3C). Tanto el aprendizaje por habituación como por sensibilización se pueden prolongar en el tiempo durante varios minutos (aprendizaje a corto plazo) e incluso hasta varios días y semanas (aprendizaje a largo plazo).

La habituación y la sensibilización son altamente adaptativas, puesto que ayudan a organizar y dirigir la conducta de un modo eficaz. Permiten reducir las reacciones ante aquellos estímulos que son irrelevantes, a la vez que posibilitan aumentar la responsividad ante estímulos potencialmente peligrosos. Ambos mecanismos han sido estudiados desde la perspectiva de la ingesta de drogas o sustancias psicoactivas. La ingesta de sustancias puede conducir tanto a una habituación o tolerancia (reducción de la respuesta del organismo a la acción de una determinada sustancia, por lo que se precisan consumos progresivamente mayores para alcanzar los efectos reforzantes), como a una sensibilización. Con la sensibilización aumentan las propiedades reforzantes, motivacionales e incentivas de la droga y, por lo tanto, el «valor» de su consumo. La tolerancia y la sensibilización se han asociado al consumo de sustancias estimulantes como la cocaína o las anfetaminas, aunque también pueden producirlas los opiáceos  como la heroína e, incluso, el alcohol. Ambos mecanismos dependen del patrón de consumo de la sustancia y por lo general se producen  tras un consumo repetido  e intermitente,  que es el tipo de patrón de consumo habitual en los seres humanos. La tolerancia a alguno de los efectos de la droga puede coexistir con la sensibilización a otros de sus efectos, en función de los circuitos neuronales implicados en cada uno de ellos. Dicha coexistencia puede incluso exacerbar los efectos de las sustancias adictivas.

 

Los mecanismos fisiológicos asociados a la habituación y a la sensibilización en la Aplysia fueron estudiados por el Premio Nobel Eric R Kandel y sus colaboradores. Por una parte, la habituación se asocia con una depresión de la actividad persináptica, e implica una reducción en la liberación de neurotransmisores. Una breve estimulación de las neuronas sensitivas del sifón en la Aplysia produce potenciales postsinápticos excitatorios en las interneuronas y motoneuronas que controlan la actividad muscular de la branquia, ocasionando su contracción. Con la estimulación repetida del sifón, se reduce la entrada de Ca²⁺  en los terminales presinápticos de las neuronas sensoriales. Dado que el Ca²⁺   actúa como señal para desencadenar el proceso de exocitosis, la disminución de la concentración intracelular de Ca²⁺  produce un decremento en la liberación de neurotransmisor, hecho que explicaría la reducción en la respuesta de retirada de la branquia (fig. 4 A).

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Figura 4. A) Habituación y Aplysia. Modificaciones sinápticas asociadas a la habituación de la respuesta refleja defensiva de retirada de la branquia en Aplysia. La estimulación repetitiva se asocia con una disminución del influjo de Ca2+ hacia el interior de la neurona sensorial, que determina una reducción en la liberación presináptica de neurotransmisor y en la respuesta postsináptica (potencial postsináptico excitatorio, PEP) de la neurona motora postsináptica. B) Sensibilización y Aplysia. Modificaciones sinápticas asociadas a la sensibilización a corto y largo plazo de la respuesta defensiva de retirada de la branquia en Aplysia. La estimulación de la neurona sensorial por una interneurona serotoninérgica produce cambios en la actividad de proteínas-cinasas que modifican la actividad de canales de K+, aumentando la despolarización de la neurona presináptica y la liberación de neurotransmisor sobre la neurona motora. A largo plazo, la actividad persistente de proteínas-cinasas tiene efectos sobre la expresión de genes asociados con crecimiento sináptico. AMPc: adenosinmonofosfato cíclico; ATP: adenosintrifosfato; C/EBP: gen de respuesta inmediata; CREB: proteína de unión al elemento de respuesta de AMPc; FA: factor activador; MAPK: proteína-cinasa activada por mitógeno; PA: potencial de acción; PKA: proteína-cinasa A.

Eric Richard Kandel (1929) obtuvo el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en el año 2000, junto a Arvid Carlsson y Paul Greenard, por sus descubrimientos relacionados con los mecanismos de señalización en el sistema nervioso.

Por otra parte, la sensibilización se asocia con un aumento de la transmisión sináptica por un mecanismo de facilitación heterosináptica.

La facilitación heterosináptica implica, por un lado, un aumento de la fuerza sináptica o fortalecimiento sináptico (facilitación) y, por otro lado, que el aumento en la respuesta a la excitación de una vía depende de la estimulación de una vía diferente (heterosináptica). La estimulación aversiva  de la cola de la Aplysia activa un grupo de neuronas sensoriales que conectan con interneuronas serotoninérgicas facilitadoras de la actividad de las neuronas sensoriales del sifón, las cuales se hallan conectadas con las motoneuronas que regulan la contracción de la branquia. El incremento de la liberación de la serotonina en las sinapsis axoaxónicas produce un aumento en la concentración del segundo mensajero adenosinmonofosfato cíclico (AMPc) en las neuronas sensoriales del sifón.

Segundos mensajeros. Se denomina segundo mensajero a toda molécula producida por acción enzimática en el interior de la célula y que transmite una señal, iniciada por la activación de receptores en la superficie de la célula, dirigida a modificar la actividad de la célula, produciendo cambios en canales iónicos localizados en la membrana celular y/o desencadenando diversas cascadas de reacciones químicas intracelulares. El AMPc es un nucleótido cíclico que actúa como segundo mensajero tras ser producido por la activación de la enzima adenilatociclasa. Esta enzima es activada por proteínas G acopladas a receptores de membrana, estimulando la conversión de la molécula energética adenosintrifosfato (ATP) en AMPc. El AMPc realiza su acción como segundo mensajero interactuando con otras proteínas como la proteína-cinasa dependiente de AMPc o proteína-cinasa A (PKA).

Entre los diversos efectos de la actividad fosforilante del AMPc, se encuentra el cierre de canales de K⁺ que favorece la retención de iones K⁺ en el terminal sináptico, aumentando la duración del potencial de acción. Finalmente, con el aumento del potencial de acción, se prolonga la apertura de los canales de Ca²⁺, provocando un incremento en la concentración de Ca²⁺   intracelular, lo que facilita la liberación del neurotransmisor (fig. 4 B).

Tipos de sinápsis.

Las sinapsis pueden clasificarse en función de su origen presináptico y de la diana postsináptica sobre la que se realiza el contacto. Aquellas cuyo origen presináptico sea un terminal axónico se denominarán axoaxónicas, axodendríticas, axoespinosas o axosomáticas, según que la sinapsis se realice sobre otro axón, un tallo dendrítico, una espina dendrítica o una porción de soma. Así mismo,  en aquellos casos en los que una porción de soma hace de elemento presináptico generalmente se observan sinapsis somatoaxónicas o somatodendríticas. Finalmente, si el elemento presináptico es un tallo dendrítico, las sinapsis comúnmente  observadas serán  dendroaxónicas o dendrodendríticas.

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Por otro lado, los investigadores Craig Bailey y Mary Chen, demostraron que tanto la habituación como la sensibilización se hallan asociadas con cambios en la densidad sináptica. La habituación a largo plazo se relaciona con disminución del número de contactos sinápticos entre las células sensoriales y las motoneuronas,  hecho que demuestra que la depresión o la ausencia de la función sináptica pueden determinar una pérdida selectiva de sinapsis. Por el contrario, la sensibilización a largo plazo se relaciona con un incremento en el número de sinapsis. Ello sugiere que aumentos en la respuesta a la estimulación sináptica pueden estar determinados por la existencia de una mayor densidad de contactos sinápticos.

Aprendizaje y memoria perceptiva: priming

El priming es un tipo de aprendizaje implícito que facilita el procesamiento de un material específico al cual el individuo se ha expuesto anteriormente. Es decir, mejora el rendimiento en una tarea, ya sea en precisión, en velocidad, o en ambos,  cuando se ha tenido una experiencia previa con estímulos relacionados de alguna manera con los presentados en la tarea que se debe desempeñar. Por lo tanto, el priming facilita la detección o la identificación de estímulos iguales o similares a los anteriormente presentados, debido únicamente a dicha presentación previa.

Este tipo de aprendizaje se forma y se evoca automáticamente, sin que sea necesaria la intervención de procesos conscientes. La percepción del entorno y de los estímulos que lo componen hace que se genere una huella mnésica de dicho entorno; posteriormente esta huella es activada por estímulos iguales o similares a los procesados, lo que hace que la información previa sea recuperada, facilitando el procesamiento tanto de información nueva como de  la familiar. El priming ayuda a construir de manera inconsciente réplicas en el cerebro de los estímulos que se procesan, ya sea a nivel físico (priming perceptivo) o de significado (priming semántico).

El priming perceptivo refleja el procesamiento previo de los aspectos perceptivos del estímulo, y es fácilmente observable en pruebas de memoria indirecta en las que el procesamiento de la información está guiado por las propiedades físicas del entorno y no por su significado. Este tipo de pruebas suele consistir en la presentación de una serie de estímulos de determinada modalidad o categoría (palabras, dibujos de objetos, fotografías de caras, etc.) para posteriormente volver a presentar dichos estímulos de forma muy breve o fragmentos de dichos estímulos y comprobar la eficacia de los individuos en la detección de los ítems en esta segunda exposición. Un claro ejemplo es la tarea de Gollins (Gollins parcial picture task),  en la cual los individuos deben identificar objetos cotidianos que aparecen representados en figuras progresivamente menos degradadas (fig 5). La primera figura que se muestra es la más incompleta; si la persona no es capaz de identificar el objeto, se presenta la siguiente, y así sucesivamente, hasta que logra identificarlo.  Tras una tarea distractora, se vuelve a repetir la tarea. Esta vez, El individuo es capaz de identificar las figuras cuando son presentadas mucho más incompletas que en la primera serie. Además, esta mejora se aprecia incluso en pacientes amnésicos, quienes no recuerdan explícitamente haber realizado la primera fase de la prueba.

Otro procedimiento paradigmático en el estudio del priming perceptivo son las pruebas en las que se deben completar palabras (Word-stem completion test). Los individuos deben leer una lista de palabras; posteriormente se les presenta un listado con únicamente las tres primeras letras de una palabra, la cual deben completar. Estas tres letras pueden formar varias palabras diferentes, pero los individuos presentan una tendencia a completarlas con una palabra de la lista leída previamente. Por ejemplo, las letras C-A-S pueden dar lugar a las palabras casa, casado, o casilla, pero si la palabra cascabel se encontraba en el listado inicial, será más probable que las letras C-A-s sean completadas hasta formar la palabra cascabel.

Por otra parte, el priming semántico se pone de manifiesto en tareas de memoria, también indirectas, en las cuales es necesario llevar a cabo un procesamiento conceptual de los estímulos, es decir, teniendo en cuenta la organización semántica de éstos  y sin que tengan una especial relevancia sus características físicas. Por ejemplo, si una persona lee una lista de palabras en las que se incluyen la palabra león, ésta provocará el efecto de priming semántico sobre el procesamiento posterior de la palabra tigre, al pertenecer ambas a la misma categoría semántica.

Ambos tipos de priming permiten formar memorias tras única exposición al estímulo la cual, además, puede generalizarse a otros estímulos similares.  Este aprendizaje tiene un carácter automático y es muy efectivo y duradero, haciendo más rápida y precisa la percepción y la comprensión de determinados estímulos. Aunque el priming es más eficaz cuando los estímulos presentados en ambas ocasiones son de la misma modalidad sensorial, también se produce priming cuando los estímulos pertenecen a modalidades diferentes.

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El aprendizaje por priming genera cambios en la actividad de la neocorteza, siendo independiente del lóbulo temporal medial.

La intervención de diferentes áreas corticales en el priming depende del tipo de estímulos con los cuales se esté generando, como lo han puesto de manifiesto diferentes investigaciones llevadas a cabo con diferentes tipos de priming y con distinto material estimular. Estudios realizados con técnicas de neuroimagen han demostrado que el priming produce bien un aumento (ante estímulos nuevos), bien una disminución (ante estímulos familiares) de la actividad neural de la región implicada en el procesamiento de los estímulos presentados. Esta disminución de la actividad cerebral ante estímulos familiares puede deberse al hecho de que la nueva entrada de información enriquece la representación creada en la neocorteza la primera vez que se procesó la información, lo que haría que se active sólo un grupo selectivo de neuronas más reducido, pero más eficaz funcionalmente. Por el contrario, cuando no existe una representación previa de la información entrante en la neocorteza, la actividad neural en la región implicada en el procesamiento es más alta, ya que no se produce una activación selectiva eficaz.

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La activación cerebral en el priming semántico involucra regiones diferentes a las del priming perceptivo.

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Figura 5. Tarea de Gollins.

Por ejemplo, en una tarea de identificación de palabras a partir de la presentación de un fragmento de éstas (tarea típicamente empleada para la evaluación del priming semántico), se ha observado que son las regiones cerebrales posteriores las que se encuentran más implicadas. Más concretamente, se produce una activación occipitotemporal cuando los estímulos son presentados visualmente e inferotemporal si la presentación es auditiva.

En una tarea de clasificación semántica en la que se deben clasificar los estímulos en función de su relación semántica con otros,  se ha comprobado que se produce una activación de la corteza temporal anterior izquierda. En tareas de carácter más conceptual (que reflejan lo que algunos autores denominan priming conceptual), en las que se deben juzgar aspectos conceptuales del estímulo, como decidir si un apalabra es abstracta o no, es la corteza prefrontal inferior izquierda la que tiene una mayor implicación. En esta región, al igual que en las áreas implicadas en el priming perceptivo, se observa el mismo patrón de activación-desactivación descrito anteriormente.

Aprendizaje asociativo: condicionamiento clásico y condicionamiento instrumental

Una forma más completa de aprendizaje es aquella que requiere el establecimiento de una asociación entre dos estímulos o entre la respuesta emitida ante un estímulo y las consecuencias de dicha respuesta.  El primer caso es el denominado condicionamiento clásico, y el segundo es conocido como condicionamiento instrumental u operante.

En el condicionamiento clásico se produce la asociación entre un estímulo inicialmente neutro (EN) y un estímulo incondicionado (EI), el cual es capaz por sí solo de desencadenar una respuesta determinada (respuesta incondicionada, RI). La presentación  conjunta y repetida  de ambos tipos de estímulos provoca la asociación entre el EN y el EI.

Inicialmente, tan solo el EI provoca la RI, pero  tras el condicionamiento clásico, el EN llega a provocar la RI, por lo que el EN se convierte en estímulo condicionado (EC), y la RI se transforma en respuesta condicionada (RC). Ivan Pavlov, fisiólogo ruso y Premio Nobel, es la figura más importante en el estudio del condicionamiento clásico. En sus experimentos con perros demostró que estos eran capaces de asociar el sonido de un metrónomo (inicialmente un EN) con la presentación de comida (EI), tras la presentación conjunta (ya fuera simultanea o secuencialmente) de ambos en numerosas ocasiones. La salivación del perro ante la mera presencia de la comida (EI) sería la RI. Tras el condicionamiento, al oír el metrónomo (inicialmente EN, ahora EC), sin necesidad de que la comida estuviera presente, el perro salivaba (producía la RC). Por lo tanto, en este caso la comida es el estímulo incondicionado (EI), puesto que la salivación se produce ante su mera presencia, siendo la salivación la respuesta incondicionada (RI). El sonido del metrónomo es el EC, inicialmente neutro, pero que por asociación con la comida o EI, acaba provocando la misma respuesta condicionada (RC).

El condicionamiento palpebral es uno de los diseños experimentales más empleados para estudiar las bases neurales del condicionamiento. En este caso, el EI consiste en una ráfaga de aire dirigida al ojo, lo que hace que se produzca la respuesta de parpadeo (RI) del individuo. El EI puede presentarse bien después de la aparición del EC (un sonido) pero terminando ambos al mismo tiempo (condicionamiento de retraso/demora) (delay conditioning), o tras la finalización del EC (condicionamiento marcado/de huella) (trace conditioning) (fig. 6). La distinción entre estos dos tipos de procedimientos no es irrelevante, ya que son diferentes áreas cerebrales las que subyacen a ambos procesos.

EL EXPERIMENTO DE PAVLOV

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Tanto mediante estudios experimentales lesionales como con técnicas de neuroimagen se ha opuesto de manifiesto que es el cerebelo la estructura principal en el condicionamiento de demora (fig. 7), mientras que en el condicionamiento de huella, además de la implicación del cerebelo, es fundamental la participación de la formación hipocampal, la cual sustenta la relación temporal entre el EC y e EI.

Como se comentó con anterioridad, en la formación hipocampal se pueden distinguir tres zonas claramente diferenciadas [la circunvolución dentada, el hipocampo propiamente dicho y el subículo]. El hipocampo propiamente dicho y sus diferentes regiones se abrevian con las siglas CA, que provienen del término asta de Ammon [cornu ammonis].

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Figura 6. Representación de los diseños experimentales de condicionamiento clásico de demora y de huella. EC: estímulo condicionado; EI: estímulo incondicionado.

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Figura 7. El cerebelo, estructura cerebral en la cual subyace el condicionamiento clásico.

El condicionamiento instrumental u operante, cuyo máximo representante fue el conductista norteamericano Burrhus Frederic Skinner, es un tipo de aprendizaje en el que la consecuencia de una respuesta dada por el individuo determina la probabilidad de que dicha respuesta vuelva a producirse. En este caso, la asociación se produce entre una acción y sus consecuencias y no entre dos estímulos como en el caso del condicionamiento pavloviano. Skinner llevó a cabo sus investigaciones sobre el condicionamiento instrumental fundamentalmente con palomas (también con ratas) y estudió su capacidad de aprendizaje en la llamada caja de Skinner. (fig. 8).

La caja de Skinner dispone de una palanca que, al ser presionada, hace que parezca comida en el comedero situado junto a ella. El animal (inicialmente privado de comida y, por lo tanto, hambriento) aprende que, al pulsar la palanca tiene comida disponible, lo que hace que la taza de presión de la palanca sea mucho más elevada que si no existiera la recompensa de la comida. Así, la comida estaría actuando como un reforzador de la conducta de presionar la palanca. Una vez que el animal ha aprendido esta asociación entre la respuesta de presionar la palanca y la obtención de un reforzador, es posible modificar su conducta. Por ejemplo, si de forma sostenida no se vuelve  a presentar el reforzador, la tasa de presión de la palanca se verá reducida, llegando hasta la eliminación o extinción de a conducta.

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Figura 8. Representación gráfica de una caja de Skinner.

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En general, el condicionamiento instrumental permite aumentar la probabilidad de que aparezca una determinada respuesta cuando va seguida de un reforzador, o disminuirla si se elimina el reforzador o si va seguida de un castigo. Asimismo, diferentes estructuras cerebrales sustentan este tipo de condicionamiento, siendo el cuerpo estriado una de las más relevantes.

Diferentes investigaciones han demostrado que tanto la asociación entre la conducta y sus consecuencias como el establecimiento de la relación causal entre ambas dependen de la actividad del estriado dorsomedial (que incluye el núcleo caudado y el putamen; fig. 9). Además de estas estructuras, también están implicados en este tipo de aprendizaje los circuitos corticoestriatotalamocorticales, dentro de los cuales la corteza prefrontal desempeña un papel muy relevante. Esta implicación prefrontal es lógica, ya que es precisamente la corteza prefrontal la que orienta y dirige la conducta hacia los objetivos. En el caso del condicionamiento instrumental, la función de la corteza prefrontal facilita la automatización de las acciones en función de las consecuencias que ya se han vivido, de modo que al encontrarse la persona de nuevo ante la situación vivida o ante una situación similar no agote recursos razonando sobre cómo debería actuar, puesto que ya tiene una respuesta automatizada ante ella.

Más adelante se estudiará el condicionamiento del miedo, un tipo de aprendizaje cuya adquisición y expresión es altamente dependiente de la amígdala, y que ha permitido profundizar en el conocimiento de las bases neurales del aprendizaje por condicionamiento y del procesamiento de la información emocional.

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Figura 9. Estructuras cerebrales que forman los ganglios basales; entre ellas, el núcleo caudado y el putamen forman el estriado, implicado en el condicionamiento instrumental y en el aprendizaje y la memoria procedimentales.

Aprendizaje y memoria procedimentales

El aprendizaje procedimental hace referencia a la adquisición de destrezas, repertorios conductuales o procedimientos con un alto componente motor. La memoria procedimental es la memoria de cómo se hacen las cosas y, gracias a ella, uno es capaz de aprender cómo se monta en bicicleta, cómo se conduce un coche, cómo se hace una cama o cómo se prepara un té.

Los procedimientos o repertorios conductuales son adquiridos fundamentalmente a través de la ejecución repetida acompañada de una adecuada retroalimentación, por los que su aprendizaje suele ser lento y gradual. Si la práctica va acompañada de instrucciones  o de la observación y  la imitación de un modelo, la adquisición de destrezas se potencia en  gran medida. Existen diferentes variables que influyen en el aprendizaje procedimental, como la cantidad de tiempo empleado en practicar los repertorios, el tipo de entrenamiento realizado, las instrucciones recibidas o la presencia de modelos, entre otras, las cuales modulan la velocidad y la precisión  del aprendizaje. En cualquier caso, las primeras veces que se realiza una acción, es decir, en los primeros ensayos de práctica, la mejora en la ejecución aumenta de manera exponencial para posteriormente enlentecerse a medida que va aumentando el número de ensayos. Es decir, se aprende mucho más rápido al comienzo de la práctica de un procedimiento, siendo más lento el perfeccionamiento de éste. Ésta es la denominada ley de la práctica.

Al iniciar el aprendizaje de un procedimiento nuevo existe un gran componente explícito, declarativo, pero éste va disminuyendo a medida que se va automatizando el proceso. Respecto a la participación de los circuitos cerebrales relevantes, el proceso de automatización progresiva va ligado a una disminución en la participación de áreas corticales, especialmente prefrontales, dando paso a un mayor control subcortical de los procedimientos. Por ejemplo, cuando se está aprendiendo a conducir, la corteza prefrontal evalúa constantemente la ejecución, con el fin de poder ir adaptándola y mejorándola en función de los errores detectados. Según se va consolidando el aprendizaje, esta área cerebral irá disminuyendo su activación, dejando que el cerebelo y los ganglios basales tomen un papel más activo, sin tanta supervisión cortical.

Para llevar a cabo cualquier acto motor es necesario que la corteza  prefrontal ejerza su función planificadora, selec