Un nuevo estudio científico arroja luz sobre cómo las neuronas forman recuerdos a largo plazo
Representación 3D de neuronas. Imagen: koto_feja / Getty Images
Un día de finales del verano
de 1953, un joven que pronto sería conocido como el paciente H.M. se sometió a
una cirugía experimental. En un intento por tratar sus convulsiones, un
cirujano extrajo porciones de su cerebro, incluida parte de una estructura
llamada hipocampo. Las convulsiones cesaron.
Desafortunadamente, para el
paciente H.M., también lo hizo el tiempo. Cuando se despertó después de la
cirugía, ya no podía formar nuevos recuerdos a largo plazo, a pesar de
conservar las capacidades cognitivas normales, el lenguaje y la memoria de
trabajo a corto plazo. La condición del paciente H.M. finalmente reveló que la
capacidad del cerebro para crear recuerdos a largo plazo es un proceso distinto
que depende del hipocampo.
Los científicos habían
descubierto dónde se crean los recuerdos. Pero se desconocía cómo se generaban.
Ahora, neurocientíficos de la
Facultad de Medicina de Harvard han dado un paso decisivo en la búsqueda por
comprender la biología de la memoria a largo plazo y encontrar formas de
intervenir cuando aparecen los déficits de memoria con la edad o con la
enfermedad.
En un informe publicado en la
revista científica Nature describen un mecanismo recientemente identificado que
las neuronas en el hipocampo del ratón adulto utilizan para regular las señales
que reciben de otras neuronas, en un proceso que parece crítico para la
consolidación y la recuperación de la memoria.
Los investigadores observaron
que las nuevas experiencias activan poblaciones dispersas de neuronas en el
hipocampo. Estas neuronas, cuando se activan, expresan dos genes, Fos y Scg2. Estos genes
permiten a las neuronas hacer un ajuste fino de los inputs recibidos de las
llamadas interneuronas inhibidoras, células que amortiguan la excitación
neuronal. De esta manera, pequeños grupos de neuronas dispares pueden formar
redes persistentes, con actividad coordinada, en respuesta a una experiencia.
"Este mecanismo
probablemente permite que las neuronas se comuniquen mejor entre sí, de modo
que la próxima vez que sea necesario recuperar un recuerdo, las neuronas se activen
de forma más sincrónica". "Es probable que la activación simultanea
de este circuito mediado por el gen Fos sea potencialmente una característica
necesaria para la consolidación de la memoria, por ejemplo, durante el sueño, y
también para la recuperación de la memoria en el cerebro".
Orquestación de circuitos
Para formar recuerdos, el
cerebro debe conectar de alguna manera una experiencia a ciertas neuronas para
que, cuando estas neuronas se reactiven, se pueda recordar la experiencia
inicial. En su estudio, los investigadores se propusieron explorar este proceso
observando el gen Fos.
Descrito por primera vez en
células neuronales en 1986, Fos se expresa minutos después de que se active una
neurona. Los científicos han aprovechado esta propiedad, utilizando Fos como
marcador de actividad neuronal reciente para identificar las células cerebrales
que regulan la sed, el letargo y muchos otros comportamientos fisiológicos.
Los científicos plantearon la
hipótesis de que el gen Fos podría desempeñar un papel fundamental en el
aprendizaje y la memoria, pero durante décadas, la función precisa de este gen
ha sido un misterio.
Para realizar el estudio, los
investigadores expusieron a los ratones a nuevos entornos y observaron las
neuronas piramidales, las principales células del hipocampo. Descubrieron que
poblaciones relativamente escasas de neuronas expresaban el gen Fos después de
la exposición a una nueva experiencia. Luego, impidieron que estas neuronas
expresaran el gen Fos, utilizando una herramienta basada en un virus, que se introdujo
en un área específica del hipocampo, lo que dejó al resto de neuronas sin
afectar.
Los ratones que tenían el gen
Fos bloqueado de esta manera mostraron déficits de memoria significativos,
cuando se evaluaron en un laberinto que les obligó a recordar detalles
espaciales, lo que indica que el gen juega un papel fundamental en la formación
de la memoria.
Las neuronas Fos: Después de la exposición a un entorno nuevo,
una población escasa de neuronas en el hipocampo del ratón expresa el gen Fos (rojo).
Imagen: Yap y colegas
Los investigadores estudiaron
las diferencias entre las neuronas que expresaban Fos y las que no. Usando la
optogenética para activar o desactivar las entradas de diferentes neuronas
cercanas, descubrieron que la actividad de las neuronas que expresan el gen Fos se ve más afectada por dos tipos de
interneuronas.
Se descubrió que las neuronas
que expresan el gen Fos reciben un aumento de las señales inhibidoras o de
amortiguación de la actividad de un tipo de interneurona y una disminución de
las señales inhibidoras de otro tipo distinto de interneurona. Estos patrones
de señalización desaparecieron en las neuronas estudiadas cuando se bloqueó la expresión del gen Fos.
Lo fundamental de estas
interneuronas es que pueden regular cuándo y cuánto se activan las neuronas
individuales con el gen Fos activado, y también cuándo se activan en relación
con otras neuronas en el circuito. Por
fin se tiene una idea de cómo Fos puede intervenir en los procesos de la memoria, específicamente al
orquestar este tipo de plasticidad de circuito en el hipocampo.
Y aún mas
Los investigadores exploraron
la función del gen Fos, que codifica una
proteína de factor de transcripción que regula otros genes. Utilizaron la secuenciación
de una sola neurona e imágenes genómicas adicionales para identificar genes
activados por Fos y encontraron que un gen en particular, el Scg2, desempeñaba un papel fundamental en la
regulación de las señales inhibidoras.
En ratones con el gen Scg2 silenciado experimentalmente, las
neuronas activadas por el gen Fos en el hipocampo mostraron un defecto en la recepción
de señales procedentes de ambos tipos de interneuronas. Estos ratones también
tenían defectos en los ritmos theta y gamma, propiedades cerebrales que se cree
que son características críticas del aprendizaje y la memoria.
Estudios anteriores habían demostrado
que Scg2 codifica un neuropéptido que puede dividirse en cuatro formas
distintas, que luego se secretan. En el estudio actual, los investigadores
descubrieron que las neuronas parecen usar estos neuropéptidos para ajustar los
inputs que reciben de las interneuronas.
Juntos, los experimentos del
equipo sugieren que cuando el ratón vive una nueva experiencia, un pequeño
grupo de neuronas expresan simultáneamente el gen Fos, que activa al gen Scg2 y este genera sus neuropéptidos, para establecer una red neuronal
coordinada y con su actividad regulada por interneuronas.
Cuando las neuronas se activan
en el hipocampo después de una nueva experiencia, de antemano no están necesariamente
vinculadas entre sí de una manera particular. Pero las
interneuronas tienen ejes axonales muy amplios, lo que significa que pueden
conectarse y enviar señales a muchas neuronas a la vez. Esta puede ser la forma
en que un grupo disperso de neuronas puede formar un circuito para codificar en
última instancia una memoria concreta".
Los hallazgos del estudio
representan un posible mecanismo a nivel de circuito y molecular para la
memoria a largo plazo. Y arrojan nueva luz sobre la biología fundamental de la
formación de la memoria. También tiene amplias implicaciones para las
enfermedades de la disfunción de la memoria.
Los investigadores señalan,
sin embargo, que si bien los resultados son un paso importante en nuestra
comprensión del funcionamiento interno de la memoria, quedan numerosas
preguntas sin respuesta sobre los mecanismos recientemente identificados.
Todavía no se ha llegado a un
conocimiento completo de la formación de los recuerdos, pero ahora se ven mejor muchos de los próximos
pasos que deben tomarse. Si se pudiera comprender mejor este proceso, se
podrían tener nuevos controles sobre la memoria y sobre cómo intervenir cuando
las cosas van mal, ya sea en la pérdida de memoria relacionada con la edad o en
trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer.
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