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Resuelto el rompecabezas neuronal del aprendizaje

Hace más de un siglo, Pavlov descubrió que los perros alimentados después de oír una campana con el tiempo comenzaban a salivar al oír ese mismo sonido. Un equipo de investigación ha descubierto ahora un aspecto clave de por qué ocurre esto a nivel neuronal. El año pasado, otras dos investigaciones revelaron también información sobre los procesos cerebrales que nos permiten aprender. Por Laura Villasán.

Resuelto el rompecabezas neuronal del aprendizaje

En el último número de la revista Neuron, el neurocientífico Alfredo Kirkwood, del Mind/Brain Institute de la Johns Hopkins University de EEUU resuelve un misterio de la neurología que ha dejado perplejos a los científicos durante años: qué sucede en el cerebro cuando aprendemos, o cómo los perros de Pavlov asociaban una acción con una recompensa para crear conocimiento.

Durante décadas, los científicos habían tenido una teoría sobre cómo sucedía esto, pero el equipo de Kirkwood ha sido el primero en demostrar lo que ocurre en el cerebro durante el aprendizaje.

 
«Si usted está tratando de enseñar a un perro a sentarse, los estímulos neurales iniciales son casi instantáneos (duran tanto como la palabra “siéntate”)», explica Kirkwood en una nota de prensa de la Universidad Johns Hopkins. Esto sucede antes de que la recompensa llegue. Así que, ¿cómo vincula el cerebro una orden que dura una fracción de segundo con una recompensa que no llega hasta mucho más tarde?»

Teoría de partida

La teoría de partida, que el equipo de Kirkwood ahora ha validado, era que existen unos invisibles “rastros de elegibilidad” etiquetados de manera efectiva en las sinapsis o conexiones neuronales, que los estímulos activan. Estos rastros serían los pilares del verdadero aprendizaje, y estarían vinculados con la recepción de una recompensa.
 
En el caso de un perro que aprende a sentarse, cuando el perro recibe una golosina o una recompensa, esos «rastros de elegibilidad» serían unos neuromoduladores -como la dopamina – que inundan el cerebro del perro con «buenas sensaciones» al oír la orden correspondiente.

Así, aunque haga tiempo que el cerebro ha procesado la orden de sentarse, los rastros de elegibilidad responden a los neuromoduladores, lo que provoca un cambio sináptico duradero en el cerebro.

Demostración
 
El equipo fue capaz de probar esta teoría mediante el aislamiento de células en la corteza visual de un ratón. Estimularon el axón de una neurona con un impulso eléctrico, lo que provocó una respuesta en otra célula. Al hacer esto en varias ocasiones, imitaban la respuesta sináptica entre dos células, que es lo que procesa un estímulo y crea un rastro de elegibilidad.

Cuando, más tarde, los investigadores inundaron las células con neuromoduladores, simulando la llegada de una recompensa demorada, la respuesta entre las células se fortaleció o se debilitó, mostrando que las neuronas habían «aprendido».
 
«Esta es la base de la manera de aprender las cosas a través de la recompensa», dice Kirkwood, «un aspecto fundamental de aprendizaje». Además de una mayor comprensión de la mecánica de aprendizaje, estos hallazgos podrían mejorar los métodos de enseñanza y conducir a tratamientos para los problemas cognitivos.

Otros procesos neuronales implicados

En 2014, científicos de la Universidad de Columbia Británica (UBC), en Canadá, identificaron otro importante cambio molecular que se produce en el cerebro cuando aprendemos y recordamos.

Este otro equipo demostró que el aprendizaje estimula a las células de nuestro cerebro, provocando que, en ellas, un pequeño ácido graso ‎ (una biomolécula de naturaleza lipídica) se acople a una proteína conocida como catenina delta. Esta modificación bioquímica resulta esencial para la producción de cambios en la conectividad de las neuronas. Y es en esa conectividad donde está la clave para el aprendizaje.

Ese mismo año, científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) demostraron además que la actividad neuronal que lleva a la formación de la memoria y al aprendizaje no sólo implica una modificación en la actividad neuronal, sino que también altera la disposición anatómica de los astrocitos (un tipo de célula) que rodean a las sinapsis (conexiones entre neuronas) en el hipocampo y en la corteza cerebral, y que realizan funciones de soporte nutricional y metabólico de las neuronas.

Referencia bibliográfica:

Kaiwen He, Marco Huertas, Su Z. Hong, XiaoXiu Tie, Johannes W. Hell, Harel Shouval, Alfredo Kirkwood. Distinct Eligibility Traces for LTP and LTD in Cortical Synapses . Neuron, 2015.

RedacciónT21

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