Descubren cómo vincula el cerebro los eventos para formar un recuerdo

El cerebro tiene una poderosa capacidad para recordar y conectar eventos separados en el tiempo. Ahora, en un nuevo estudio en ratones publicado en la revista 'Neuron', los científicos del Instituto Zuckerman de la Universidad de Columbia han arrojado luz sobre cómo el cerebro puede formar enlaces tan duraderos.

El psiquiatra clínico y coautor del estudio, Mohsin Ahmed, y su equipo han descubierto un mecanismo sorprendente por el cual el hipocampo, una región del cerebro fundamental para la memoria, construye puentes a través del tiempo: disparando estallidos de actividad que parecen aleatorios, pero de hecho forman un patrón complejo que, con el tiempo, ayuda al cerebro a aprender asociaciones.

Al revelar los circuitos subyacentes detrás del aprendizaje asociativo, los hallazgos sientan las bases para una mejor comprensión de la ansiedad y los trastornos relacionados con el trauma y el estrés, como los trastornos de pánico y estrés postraumático, en los que un evento aparentemente neutral puede provocar una respuesta negativa.

"Sabemos que el hipocampo es importante en formas de aprendizaje que implican vincular dos eventos que suceden incluso con una separación de hasta 10 a 30 segundos", explica Attila Losonczy, investigadora principal del Instituto de Comportamiento Mental Cerebro Mortimer B. Zuckerman de Columbia y coautora principal del artículo.

"Esta capacidad es la clave para la supervivencia, pero los mecanismos detrás de ella han demostrado ser esquivos --añade--. Con el estudio de hoy en ratones, hemos mapeado los complejos cálculos que realiza el cerebro para vincular distintos eventos que están separados en el tiempo".

El hipocampo, una pequeña región en forma de caballito de mar enterrada profundamente en el cerebro, es una sede importante para el aprendizaje y la memoria. Experimentos previos en ratones mostraron que la interrupción del hipocampo deja a los animales con problemas para aprender a asociar dos eventos separados por decenas de segundos.

"La opinión predominante ha sido que las células en el hipocampo mantienen un nivel de actividad persistente para asociar tales eventos --señala el doctor Ahmed, profesor asistente de psiquiatría clínica en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de Columbia, y primer autor de estudio--. Apagar estas células interrumpiría el aprendizaje".

Para probar esta visión tradicional, los investigadores tomaron imágenes de partes del hipocampo de ratones a medida que los animales estaban expuestos a dos estímulos diferentes: un sonido neutro seguido de una pequeña pero desagradable bocanada de aire.

Un retraso de quince segundos separó los dos eventos. Los científicos repitieron este experimento en varios ensayos. Con el tiempo, los ratones aprendieron a asociar el tono con la próxima bocanada de aire. Utilizando microscopía avanzada de dos fotones e imágenes funcionales de calcio, registraron la actividad de miles de neuronas, un tipo de célula cerebral, en el hipocampo de los animales simultáneamente durante el transcurso de cada prueba durante muchos días.

"Con este enfoque, podríamos imitar, aunque de una manera más simple, el proceso que sufren nuestros propios cerebros cuando aprendemos a conectar dos eventos", destaca el doctor Losonczy, quien también es profesor de neurociencia en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de Columbia.

Para dar sentido a la información que recopilaron, los investigadores se asociaron con neurocientíficos computacionales que desarrollan potentes herramientas matemáticas para analizar grandes cantidades de datos experimentales.

"Esperábamos ver actividad neural continua y repetitiva que persistiera durante el intervalo de quince segundos, una indicación del hipocampo en el trabajo que vincula el tono auditivo y la bocanada de aire --recuerda el neurocientífico computacional Stefano Fusi, PhD, investigador principal en el Zuckerman de Columbia. Instituto y el coautor principal del artículo--. Pero cuando comenzamos a analizar los datos, no vimos tal actividad".

En cambio, la actividad neuronal registrada durante el intervalo de tiempo de quince segundos fue escasa. Solo una pequeña cantidad de neuronas dispararon, y aparentemente lo hicieron al azar. Esta actividad esporádica se veía claramente diferente de la actividad continua que el cerebro muestra durante otras tareas de aprendizaje y memoria, como memorizar un número de teléfono.

"La actividad parece tener ataques y estallidos en períodos intermitentes y aleatorios a lo largo de la tarea --añade James Priestley, candidato a doctorado en el Instituto Zuckerman de Columbia y el coprimer autor del artículo--. Para comprender la actividad, tuvimos que cambiar la forma en que analizamos los datos y usar herramientas diseñadas para dar sentido a los procesos aleatorios".

Finalmente, los investigadores descubrieron un patrón en la aleatoriedad: un estilo de computación mental que parece ser una manera notablemente eficiente de que las neuronas almacenen información. En lugar de comunicarse constantemente entre sí, las neuronas ahorran energía, tal vez al codificar información en las conexiones entre las células, llamadas sinapsis, en lugar de a través de la actividad eléctrica de las células.

"Nos alegró ver que el cerebro no mantiene una actividad continua durante todos estos segundos porque, metabólicamente, esa no es la forma más eficiente de almacenar información --aclara el doctor Fusi--. El cerebro parece tener una forma más eficiente de construir este puente, que sospechamos puede implicar cambiar la fuerza de las sinapsis".

Además de ayudar a mapear los circuitos involucrados en el aprendizaje asociativo, estos hallazgos también proporcionan un punto de partida para explorar más profundamente los trastornos que involucran disfunciones en la memoria asociativa, como el pánico y el trastorno de estrés postraumático.

"Si bien nuestro estudio no modela explícitamente los síndromes clínicos de ninguno de estos trastornos, puede ser inmensamente informativo --aclara el doctor Ahmed, quien también es miembro del laboratorio Losonczy en el Instituto Zuckerman de Columbia--. Por ejemplo, puede ayudarnos a modelar algunos aspectos de lo que puede estar sucediendo en el cerebro cuando los pacientes experimentan una asociación temerosa entre dos eventos que, para otra persona, no provocarían miedo ni pánico".