viernes, 1 de enero de 2021

La biología subyacente a la formación de recuerdos

 


 

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.

 

Basado en:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3031-0

https://science.sciencemag.org/content/234/4772/80

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