El almacén de los recuerdos

 

Por lo general, se considera que los recuerdos se plasman en la fuerza de las conexiones entre las neuronas. Encontrar las conexiones sinápticas exactas responsables de los recuerdos entre cientos de trillones parece en principio imposible. Pero una nueva investigación puede acercarnos un poco más. Se sabe que hay zonas cerebrales específicas bajo el neocórtex que son necesarias para la formación de la memoria (incluidos el hipocampo y los ganglios basales), mientras que se cree que la memoria a largo plazo relacionada con hechos y conocimientos (memoria semántica) reside en el neocórtex . Sin embargo, aún se desconoce la ubicación exacta de la memoria semántica, lo que impide a los investigadores comprender cómo y dónde se forman los recuerdos.

Las pruebas acumuladas en roedores sugieren que la capa neocortical 1, la más externa del cerebro, podría ser un lugar clave para la plasticidad a largo plazo y el aprendizaje. Todos estos estudios tienen en común la observación de que las estructuras subcorticales de la memoria se dirigen predominantemente a esta capa. Por ejemplo, la entrada talámica de orden superior se dirige a la capa 1 de la corteza sensorial, donde también se ha asociado con el aprendizaje y con el aumento de la actividad en las dendritas del penacho de las neuronas piramidales, las principales neuronas excitadoras del neocórtex. Asimismo, se ha demostrado que las proyecciones de la amígdala a la capa 1 son cruciales para la formación de la memoria del miedo.

 Más recientemente, se ha demostrado que el hipocampo también se dirige a la capa neocortical 1 a través de estructuras parahipocampales y es crucial para el aprendizaje asociativo. Esto lleva a la hipótesis de que la capa 1 es el lugar de formación y almacenamiento de la memoria semántica en el neocórtex, donde es probable que se encuentren las sinapsis que codifican los recuerdos.

La capa 1 del neocórtex es enigmática y aún no hay consenso sobre su función. Destaca por ser la única capa casi desprovista de cuerpos celulares, lo que hace aún más sorprendente que sea el objetivo de tantas fibras axónicas neuronales de largo alcance. Estas fibras suelen proceder de áreas corticales superiores y de núcleos talámicos de orden superior y se sabe que transmiten información de retroalimentación relacionada con el contexto y se correlacionan con el aprendizaje .

 La capa 1 consiste en un denso complejo de dendritas superpuestas formado por las cimas de las neuronas piramidales (dendritas en penacho). Por lo tanto, es esta parte de las neuronas piramidales la que recibe información de retroalimentación, mientras que la parte inferior de estas neuronas recibe principalmente información de retroalimentación relacionada con los rasgos.  Por lo tanto, la neurona piramidal se encuentra en una posición ideal para enlazar los dos flujos de información.

La pregunta sigue siendo: ¿Por qué las estructuras relacionadas con la memoria se dirigen al contexto en la capa 1 en lugar de a las características codificadas en las capas inferiores? La adicción de  la memoria a una teoría cognitiva existente que describe el papel de las dendritas corticales en la experiencia perceptiva puede proporcionar la respuesta . 

Esta teoría de la percepción sugiere una definición funcional de "rasgo" y "contexto" asociado, donde un rasgo se define como la salida primaria de un módulo cortical ("columna"), y el contexto se define como la información relevante de todo el cerebro que llega a la capa 1 de esa columna. Así, para una "columna naranja" que responde durante una experiencia perceptiva, la "forma" formaría parte del contexto de esta columna. Esta teoría perceptiva explica cómo las propiedades de las neuronas piramidales vinculan el contexto a las características.

Vincular esta teoría a la memoria podría explicar por qué y cómo las estructuras de la memoria influyen en la capa 1 del neocórtex. Hay dos escenarios posibles: el escenario del contenido de la memoria, en el que las estructuras de la memoria que se proyectan a la capa 1 proporcionan directamente un contexto adicional; o el escenario del cambio de la memoria, en el que las estructuras de la memoria modulan o abren otras entradas relacionadas con el contexto a la capa 1.

 En ambos escenarios, las experiencias implicarían la asociación a corto plazo del contexto con las características, y la memoria implicaría la codificación y estabilización de esta asociación. Por ejemplo, reconocer un tigre debería evocar una actividad neuronal distribuida por el córtex en función de los rasgos accesibles a través de los sentidos y del contexto derivado de asociaciones previamente aprendidas (véase la figura). Ver un tigre por primera vez implicaría asociaciones temporales que tendrían que formarse o estabilizarse.

Esto implica que la memoria asociativa es la convergencia de diferentes tipos de información procedentes de varias fuentes corticales y subcorticales en la capa 1 y, por tanto, está intrínsecamente distribuida, incluso en una zona cortical determinada. Es posible que las diferentes estructuras cerebrales relacionadas con la memoria que se proyectan a la capa 1 proporcionen diferentes criterios para la estabilización de la asociación del contexto (detección de la novedad, importancia, valencia emocional o desviación de la expectativa, etc.). En general, se hipotetiza que la memoria semántica es la asociación a largo plazo de diferentes contextos con características particulares en la capa neocortical 1.

Los dos escenarios implican ciertas predicciones. La hipótesis del contenido de la memoria predice que las entradas de la capa 1 constituyen el contenido de la memoria por sí mismas, muestran plasticidad a largo plazo y requieren que la estructura fuente se active durante la recuperación. Se han observado pruebas del escenario del contenido de la memoria directamente en las proyecciones talámicas a la capa 1 . 

Por el contrario, el escenario del cambio de memoria explica cómo la recuperación de la memoria podría ocurrir sin la estructura de origen. Un estudio reciente demostró que el aprendizaje de la asociación de un estímulo con una recompensa requiere la entrada del hipocampo a la capa 1 a través de las estructuras del lóbulo temporal medial, pero que posteriormente puede recuperarse sin esta entrada.

Es posible que los dos escenarios operen en paralelo. Por ejemplo, está bien establecido que el hipocampo media el contexto espacio-temporal que es un aspecto importante de la memoria autobiográfica episódica. Así, las entradas a la capa 1 podrían proporcionar tanto un criterio para consolidar el contexto asociado (escenario de cambio de memoria) como una parte constitutiva del propio contexto (escenario de contenido de la memoria), proporcionando el componente autobiográfico al vincular el tiempo y la ubicación a los recuerdos.

Los mecanismos precisos de estabilización de la memoria en la capa 1 siguen siendo desconocidos. La estabilización puede implicar la regulación ascendente o descendente de las entradas sinápticas a las dendritas densamente empaquetadas de las neuronas piramidales en la capa,  o posiblemente refinamientos de circuito más complejos que implican la inducción de plasticidad heterosináptica incluyendo otras capas corticales. 

La hipótesis de que los recuerdos asociativos relacionados con el contexto se almacenan en la capa 1 plantea interesantes cuestiones sobre la psicología del aprendizaje. Se cree que los rasgos se aprenden durante el desarrollo temprano en una ventana crítica dentro de la cual la forma dominante de aprendizaje implica la extracción de regularidades. Por ejemplo, los niños suelen absorber con gran facilidad nuevas habilidades motoras y rasgos de bajo nivel, como el acento de una segunda lengua. Según nuestra hipótesis, los rasgos de aprendizaje serían independientes de la capa 1 y de las dendritas del penacho de las neuronas piramidales. En consecuencia, las complejas propiedades dendríticas necesarias para unir el contexto y los rasgos no están disponibles antes de la adolescencia. El aprendizaje de rasgos modificaría, por tanto, las sinapsis distribuidas por las demás capas de la columna cortical.

Así, la propuesta es que hay dos fases de aprendizaje. La primera fase consiste en el establecimiento de la red cortical en los rasgos estadísticos más frecuentes en el mundo exterior, que tarda mucho tiempo (muchas repeticiones) en establecerse, pero que luego es relativamente estable a lo largo del tiempo. La segunda fase implica un aprendizaje más dinámico del contexto y de los conceptos de alto nivel que establecen un modelo interno utilizando el papel predictivo putativo de las dendritas del penacho de las neuronas piramidales. 

Por ejemplo, los adultos pueden aprender más rápida y explícitamente la estructura de alto nivel de una segunda lengua (por ejemplo, la gramática), mientras que nunca adquieren completamente las características detalladas del acento.

La forma de las neuronas piramidales podría facilitar este modelo de aprendizaje en dos fases al permitir que los mecanismos de plasticidad se segreguen y modulen por separado en los diferentes árboles dendríticos de la parte superior e inferior de la neurona piramidal. La segregación física del aprendizaje dentro de la neurona también permitiría un acceso independiente a la memoria de características y a la memoria asociativa. Además, la información de arriba abajo podría desplegarse de forma flexible sin comprometer la información de avance que debería permanecer estable en el mundo exterior. El vínculo entre el control descendente y la memoria semántica podría explicar cómo se puede acceder a ella de forma explícita. En consecuencia, el hecho de que se acceda al conocimiento gramatical de forma inconsciente o explícita dependería de si el conocimiento se codifica como rasgos o como contexto.

La segregación de la información mediante neuronas multicompartimentadas también puede servir de base a los modelos de aprendizaje automático. A pesar de sus éxitos, las redes artificiales modernas siguen rindiendo muy mal en tareas que requieren inferir a partir de muy poca información, lo cual es una característica distintiva del aprendizaje adulto en animales inteligentes. La identificación del locus de la memoria en el neocórtex permite generar modelos de mayor inspiración biológica. 

Por ejemplo, se descubrió que, tras el aprendizaje, las neuronas piramidales emitían ráfagas de potenciales de acción que resultaban más relevantes para la recuperación de la memoria. Por lo tanto, es posible que el cerebro de los mamíferos utilice un sistema ternario en lugar de binario de salidas (es decir, "0", ninguna salida; "1", salida de baja frecuencia; o "2", salida de ráfagas). Esto podría señalar el tipo de información (estadística frente a asociativa) a las neuronas de las fases posteriores y facilitar la asignación de créditos para el aprendizaje en un sistema de retroalimentación. 

Estas observaciones pueden servir de inspiración para el diseño de principios de aprendizaje automático más robustos e intuitivos. Por lo tanto, la identificación de la capa 1 como locus de la memoria semántica promete acelerar nuestra comprensión del aprendizaje y la memoria en el cerebro humano y proporcionar ideas para el desarrollo de tratamientos para los trastornos de la memoria, así como el diseño de arquitecturas para la inteligencia artificial.

Basado en :

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1859