miércoles, 23 de mayo de 2018

Nuevos experimentos cuestionan el paradigma de dónde se almacena la memoria



 Los científicos transfirieron recuerdos de un caracol marino a otro. Algún día, podrían hacer lo mismo en los humanos.


David Glanzman, profesor de neurobiología en U.C.L.A. autor del nuevo artículo científico, ha estado estudiando la Aplisia californica, un caracol de mar, y su capacidad para mantener recuerdos a largo plazo durante años. Estos caracoles, que tienen aproximadamente doce centímetros de largo, son un organismo útil para estudiar cómo se forman los recuerdos porque sus neuronas son grandes y relativamente fáciles de trabajar.


Aplisia Californica


Estos  caracoles de mar pueden tener alrededor de 20,000 neuronas, una suma insignificante en comparación con los 100 mil millones que tienen los seres humanos. Pero los científicos han estado estudiando caracoles de mar durante mucho tiempo, y saben mucho sobre cómo los organismos aprenden. Muchos organismos marinos funcionan de la misma manera que los mamíferos, excepto que los procesos que los mantienen vivos son mucho menos complicados. Y los caracoles de mar no son una excepción: sus nervios transmiten impulsos de manera muy similar a la nuestra.

Por lo tanto, es impresionante que los investigadores de la Universidad de California  hayan podido transferir recuerdos sorprendentes entre los caracoles marinos. ¿Aún más impresionante? Esa investigación inicial podría allanar algún día el camino para procesos similares en humanos.

En el estudio, publicado en la revista eNeuro, un grupo de caracoles fueron entrenados para responder a un estímulo; en este caso, un ligero shock en la cola. El impacto no dañó a los caracoles. Simplemente desencadenó un reflejo de rizo defensivo, algo así como quitar la mano de una estufa caliente. Al principio, los caracoles solo se encrespaban por unos segundos. Pero a través de shocks repetidos, los investigadores los entrenaron para enrollarse por más tiempo, hasta aproximadamente 50 segundos.

Recientemente, los científicos habían apreciado que incluso cuando interferían con las células cerebrales de sus caracoles entrenados de una manera que debería haber eliminado por completo la memoria, parecía quedar algo de vestigio. Decidieron ver si algo más allá de las conexiones de las células cerebrales entre sí, a saber, ARN, podía ser la causa del mantenimiento de la memoria.

El ARN se conoce  por transportar mensajes entre el genoma y el resto de la célula. Pero los científicos se han dado cuenta gradualmente de que el ARN tiene alguna función más que jugar a mensajero.

Existen algunos tipos de ARN que, en lugar de transportar mensajes, ayudan a activar y desactivar genes. Se ha demostrado que están involucrados en la memoria a largo plazo en caracoles, ratones y ratas, a través de su capacidad para influir en las etiquetas químicas en el ADN. Estas etiquetas a su vez influyen en si un gen se activará en un organismo.

Continuando con su investigación, el equipo tomó un poco de ácido ribonucleico (ARN), que forma proteínas basadas en el ADN de las células, del tejido nervioso en la parte superior del abdomen de los caracoles entrenados y lo inyectó en los cuellos de los caracoles no entrenados para llegar a su sistema circulatorio. Para su sorpresa, los caracoles que no fueron inyectados con ARN se curvaron por solo unos pocos segundos, tras recibir un shock,  como hacen todos los caracoles cuando no han sido entrenados. ¿Pero que hicieron los caracoles a los que se les inyectó ARN de los caracoles entrenados? Mantuvieron la postura durante 40 segundos tras recibir el shock, como si recordaran cómo responder a un estímulo, a pesar de que nunca lo habían experimentado antes.

Luego, los investigadores tomaron las células cerebrales de caracoles entrenados y caracoles no entrenados y los cultivaron en el laboratorio. Bañaron las neuronas desentrenadas en el ARN de las células entrenadas, luego les dieron un shock y vieron que disparaban de la misma manera que las neuronas entrenadas. El recuerdo de las células entrenadas parecía haber sido transferido a las desentrenadas.

Los resultados, según  Glanzman, sugieren que los recuerdos pueden almacenarse dentro del núcleo de las neuronas, donde el ARN se sintetiza y puede actuar sobre el ADN para activar y desactivar los genes. El almacenamiento de memoria implicaba estos cambios epigenéticos (cambios en la actividad de los genes y no en las secuencias de ADN que los componen) que están mediados por el ARN.

El laboratorio de Glanzman y otros también han demostrado que la formación de la memoria a largo plazo se puede bloquear mediante la prevención de cambios epigenéticos, incluso cuando no se ve alterada la formación de sinapsis o el fortalecimiento de las mismas.

Este punto de vista desafía la noción generalizada de que los recuerdos se almacenan fortaleciendo las conexiones sinápticas entre las neuronas. Por el contrario, Glanzman ve los cambios sinápticos que ocurren durante la formación de la memoria como fluyendo a partir de la información que el ARN está llevando.

Esto es importante porque añade información a un debate científico de largo recorrido. Algunos investigadores piensan que los recuerdos se almacenan en las sinapsis (los espacios entre las células nerviosas). Pero otros científicos creen  que los recuerdos se almacenan en el núcleo de las neuronas. Y como dijo el autor del estudio David Glanzman a la BBC, "si los recuerdos se almacenaran en las sinapsis, no hay forma de que nuestro experimento hubiera funcionado".

En 2015, el investigador Ryan de Trinity College fue el autor principal de un artículo de ciencia con el Premio Nobel de MIT, Susumu Tonegawa, que mostró que los recuerdos podían recuperarse incluso después de que se bloqueara el fortalecimiento de la sinapsis. Ryan  persigue la idea de que los recuerdos se almacenan a través de conjuntos de neuronas unidas por nuevas conexiones sinápticas, no por el fortalecimiento de las conexiones existentes.

Sin embargo Ryan no cree que el comportamiento de los caracoles, o las neuronas cultivadas, demuestre que el ARN está transfiriendo recuerdos. Dijo que no entiende cómo el ARN, que funciona en una escala de tiempo de minutos a horas, podría estar causando la recuperación de memoria que es casi instantánea, o cómo el ARN podría conectar numerosas partes del cerebro, como los sistemas auditivo y visual, que están involucrados en recuerdos más complejos.

Pero hay muchos tipos diferentes de ARN, y el equipo de Glanzman planea hacer más investigaciones para determinar qué tipos afectan más directamente a la memoria.

Pero no nos dejemos llevar, ya que estamos hablando de caracoles, después de todo. Estos hallazgos no cierran el debate sobre dónde se almacenan los recuerdos, y ciertamente no significan que podamos restaurar al instante recuerdos detallados en humanos.

Lo que está en juego en el campo es alto porque la memoria es clave para nuestro sentido del yo y muchos científicos sienten que entender el funcionamiento de la memoria es algo que ya debería haberse resuelto. Es la última de las grandes preguntas de la biología del siglo XXI.

La realidad es que sabemos muy poco sobre la memoria.



sábado, 5 de mayo de 2018

Cómo se ha descubierto el GPS del cerebro





A veces es difícil recordar que alguna vez sabíamos encontrar nuestro camino sin GPS. Pero lo hicimos Y aún lo hacemos. Cada vez que exploramos una ciudad nueva, caminamos en la oscuridad o recorremos un sendero, dependemos de una red de neuronas especializadas en lo más profundo de nuestro cerebro para generar y mantener un mapa cognitivo de nuestro mundo. 

 


Un sentido del espacio que ocupamos


En 1971, John O'Keefe, en ese momento en la Universidad McGill y ahora en el University College de Londres, descubrió el primer componente del GPS del cerebro en el hipocampo de la rata, un área del cerebro crítica para la memoria. O'Keefe registró la actividad de las neuronas individuales cuando los animales vagaban libremente en su recinto. Descubrió que ciertas neuronas sólo se activaban cuando un animal se movía a través de un punto particular del recinto. Nombrando a estas neuronas como "neuronas espaciales", postuló que el hipocampo albergaba el mapa espacial interno del cerebro, donde las neuronas espaciales representan tanto la ubicación actual de un animal, como aquellas ubicaciones visitadas en el pasado.

El descubrimiento de las neuronas espaciales cambió fundamentalmente nuestro conocimiento del hipocampo que pasaba, de ser una estructura dedicada exclusivamente a los recuerdos declarativos, a una que también es crítica para navegar en el espacio.


Posición en el espacio


La actividad de la neurona espacial por sí sola no podría explicar la capacidad de la rata para aprender a circular por su entorno. Los colaboradores de O'Keefe, Edvard Moser y May-Britt Moser del Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, exploraron este problema después de descubrir que las neuronas espaciales funcionaban incluso después de que se dañara parcialmente el circuito neural del hipocampo. Al razonar que la señal espacial surge en otra parte, los investigadores también estudiaron ratas que se movían libremente, analizando la actividad de  neuronas individuales de una región del cerebro con conexiones directas al hipocampo: la corteza entorrinal.

Resultado de imagen de tablero ajedrez chino
Tablero chino de ajedrez
Al igual que las neuronas espaciales de lugar existentes en el hipocampo, algunas de las neuronas analizadas se activaban en ciertos lugares y luego se mantenían en  silencio. Pero a diferencia de las neuronas espaciales de lugar, las neuronas de la corteza entorrinal solo se silenciaban momentáneamente y luego volvían a activarse. Hasta que el equipo aumentó el tamaño del recinto no quedó claro que las neuronas se activaban a intervalos precisos y repetitivos. La actividad de cada neurona individual formaba una cuadrícula hecha de triángulos regularmente espaciados, muy parecidos a un tablero de ajedrez chino. Descubiertas en 2005, las "neuronas espaciales de posición" también se han encontrado en ratones, murciélagos, monos y humanos.

 "Esta neurona sabe exactamente dónde estar activa y dónde permanecer en silencio", según May-Britt Moser, señalando que parecían crear un conjunto de puntos de referencia muy estables para navegar en entornos específicos. Y, debido a que las neuronas espaciales de posición del entorrino sirven como activadores a las neuronas espaciales de lugar del hipocampo, el equipo de Moser especuló que las neuronas espaciales de posición son las que deciden sobre las distancias en el entorno. John O'Keefe, Edvard Moser y May-Britt Moser ganaronel Premio Nobel en 2014 por sus descubrimientos de las neuronas espaciales delugar del hipocampo y las neuronas espaciales de posición del entorrino.





La brújula y el velocímetro del cerebro


Si bien las neuronas espaciales de lugar  del hipocampo y las neuronas espaciales de posición  entorrinales  son vitales para crear un mapa interno, ese mapa necesita la información que todos los sistemas de GPS necesitan para ayudarnos realmente a navegar: la dirección en la que nos movemos y la rapidez con la que lo hacemos.

En 1984, James Ranck del SUNY Downstate Medical Center describió las primeras "neuronas de orientación", encontradas fuera del hipocampo y de la corteza entorrinal que se activan en respuesta a la dirección que aborda una rata. En 2006, el equipo de Moser encontró "neuronas de orientación" en la corteza entorrinal, donde podían interactuar con las neuronas de posición. Luego, el grupo identificó un conjunto de células en la misma área del cerebro que discernía los bordes de un entorno, y que denominaron "neuronas de borde".

Encontrar neuronas para discernir la velocidad de un animal requirió mas  creatividad: el equipo de Moser construyó un mini auto sin fondo "Flintstone" en una pista. Las ratas corrían hacia un trozo de chocolate a una velocidad establecida por los investigadores. Encontraron neuronas en y alrededor de la corteza entorrinal que se activaban más rápido cuando la rata corría más rápido y disminuían su activación a medida que el animal reducía su velocidad. La forma en que estas "neuronas de velocidad" se activaron en concierto con la velocidad del animal fue tan consistente, que los investigadores pudieron determinar la velocidad del animal con solo mirar los registros de actividad de aproximadamente media docena de neuronas de velocidad del animal.


Una hoja de ruta en nuestras cabezas


Los investigadores continúan descubriendo ideas perspicaces sobre el GPS del cerebro. Por ejemplo, en el laboratorio de Moser criaron ratas en un recinto esférico que carecía de bordes definidos y, por lo tanto, las neuronas de borde carecían de actividad. Debido a que las neuronas de posición  se desarrollan más tarde que las neuronas de lugar y borde, no funcionan correctamente si las crías de rata no aprenden sobre el entorno durante los primeros 14 días después de abrir los ojos por primera vez. Estas ratas, por tanto, pierden una parte crítica de su repertorio de navegación.

La comprensión del circuito de navegación está iluminando algunos de los problemas más difíciles de la neurociencia. La habilidad del mapa interno del cerebro para adaptarse proporciona mecanismos por los cuales podemos consolidar nuestros recuerdos. Y, debido a que la corteza entorrinal se daña temprano en el curso de la enfermedad de Alzheimer, su función crítica en la navegación no solo proporciona una idea de por qué el perderse es uno de los primeros síntomas del Alzheimer, sino que también  ofrece nuevas vías para explorar y potencialmente mejorar la enfermedad.

"Esta es una historia increíble". Y una que promete continuar capturando la imaginación científica.