Perspectivas más profundas sobre cómo se forman los recuerdos

Los neurocientíficos han creído durante mucho tiempo que el aprendizaje y la memoria dependen del fortalecimiento o el debilitamiento de las uniones entre las neuronas (sinapsis), aumentando o disminuyendo la probabilidad de que una célula transmita información a sus vecinas. Pero recientemente, algunos investigadores han comenzado a seguir una teoría completamente diferente que no implica cambiar la fuerza de la transmisión sináptica. De hecho, ni siquiera involucra a las neuronas. En cambio, otros tipos de células cerebrales, llamadas células gliales, son las responsables.

Un nuevo estudio de la Universidad de Toronto se publicó en línea esta semana en la revista neuronas apoyo a esta teoría. Proporciona evidencia de que el acto básico de saber si el entorno de uno es seguro, común a todos los animales, depende de las células gliales que forman una cubierta de grasa llamada mielina, el aislante eléctrico que recubre las fibras nerviosas. La nueva teoría postula que los recuerdos indelebles que se pueden recordar mucho después de la entrada sensorial o el entrenamiento de tareas involucran interacciones entre la glía y las ondas cerebrales especializadas producidas durante el sueño. «El papel de la mielina en la función cognitiva se ha ignorado en gran medida, y este artículo corrige elegantemente esa omisión», dijo Bernard Zalc, investigador de mielina en la Universidad de París-Sorbona, al comentar sobre el nuevo estudio.

Tradicionalmente, los investigadores que estudian el aislamiento de la vaina de mielina en las fibras nerviosas, llamadas axones, se han centrado en enfermedades en las que se daña la vaina de grasa, como la esclerosis múltiple. En la esclerosis múltiple, falla la transmisión nerviosa, lo que provoca una discapacidad generalizada. Al igual que el revestimiento de plástico de los cables de cobre, se cree que la mielina es esencial para la neurotransmisión, pero inerte e irrelevante para el procesamiento de la información y el almacenamiento de la memoria.

Una nueva investigación desafía esta noción al descubrir que las células gliales formadoras de mielina, llamadas oligodendrocitos, pueden detectar los impulsos nerviosos que fluyen a través de los axones con los que entran en contacto. Curiosamente, los oligodendrocitos inmaduros, denominados células progenitoras de oligodendrocitos (OPC), se encuentran en casi todo el cerebro, sin tener en cuenta los complejos límites anatómicos dentro del tejido cerebral. Agregue sal en todo el cerebro, aunque la necesidad de células cerebrales inmaduras parece ser mínima en la edad adulta, las OPC son, con mucho, las células más abundantes en nuestros cerebros para someterse a división celular.

No está claro por qué este es el caso, y estas células especiales han desconcertado a los investigadores durante mucho tiempo. Los estudios de varios laboratorios han encontrado recientemente que las OPC pueden responder a la actividad del impulso nervioso al dividirse y madurar en oligodendrocitos mielinizantes y aumentar la cantidad de axones mielinizados. Este proceso puede tener efectos profundos en la transmisión de información a través de las redes neuronales, porque la mielina aumenta la velocidad a la que se transmiten los impulsos nerviosos unas 50 veces.

forma de memoria

en el interior neuronas En el estudio, el primer autor Patrick Steadman y sus colegas probaron la hipótesis de que se deben formar nuevas vainas de mielina durante el aprendizaje en el Hospital for Sick Children y el laboratorio de Paul Frankland en la Universidad de Toronto. Hicieron esto mediante la modificación genética de ratones para eliminar un gen llamado factor regulador de mielina (MRF) cuando fueron tratados con el fármaco tamoxifeno. Este gen es esencial para que las OPC maduren en oligodendrocitos. La eliminación de MRF aumentó el número de OPC, mientras que disminuyó el número de oligodendrocitos recién formados.

Ahora, los investigadores pueden probar la hipótesis de que la formación de mielina es necesaria para el aprendizaje entrenando a estos ratones y evitando que formen nuevas vainas de mielina. Podrían detener la formación de mielina durante el entrenamiento o en cualquier momento posterior, simplemente dándoles tamoxifeno a los ratones.

Luego probaron si se requería mielina para el aprendizaje mediante la realización de una prueba de memoria bien establecida llamada laberinto acuático de Morris, en la que se colocó un ratón en un cubo grande con una plataforma oculta sumergida debajo de la superficie del agua. Los ratones aprendieron rápidamente dónde estaba esa plataforma y, después de varios días de entrenamiento, nadaron directamente allí. Los experimentos mostraron que los ratones que no podían formar mielina nueva eran capaces de aprender dónde estaba la plataforma tan rápido como los ratones de control, pero cuando se probó su memoria mucho después del entrenamiento, los ratones que no podían formar mielina nueva no recordaban La ubicación también es buena, tuve que nadar más para encontrar la plataforma nuevamente. Usando microscopía electrónica para examinar el tejido cerebral, los investigadores encontraron que se mielinizaron más axones en las regiones normales del cerebro del ratón que se sabe que son necesarias para aprender el laberinto acuático de Morris. Los investigadores ahora tienen evidencia de que la mielina está involucrada en la formación de la memoria a largo plazo en el aprendizaje. Pero aún necesitan determinar el papel de la mielina en el retiro.

llegar a tiempo

Se deben reunir diferentes tipos de información al mismo tiempo para recordar, por ejemplo, dónde está su casa o, para los ratones, la plataforma en un laberinto de agua. Recordar implica integrar los recuerdos de imágenes, sonidos, olores y emociones asociados con su hogar, así como los sentimientos evocados por los recuerdos de su hogar. Estos diferentes tipos de información se procesan y almacenan en diferentes partes del cerebro y están conectados por extensas redes que deben activarse juntas para entretejer diferentes aspectos de estos recuerdos y, en última instancia, fortalecer las sinapsis a nivel subcelular. Esta visión centrada en la red de la función neuronal ha sido pasada por alto por los investigadores de la memoria que se centran estrechamente en la transmisión sináptica. Pero la pregunta sigue siendo, ¿cómo se determina el tiempo de llegada de un impulso nervioso en cada punto de retransmisión sináptica en una red neuronal compleja? Los ritmos cerebrales durante el sueño pueden proporcionar pistas.

Los investigadores se preguntaron si podrían ser necesarias nuevas vainas de mielina después del entrenamiento para convertir los recuerdos a corto plazo que se desvanecen rápidamente en recuerdos duraderos, un proceso que los neurocientíficos llaman consolidación de la memoria. Para probar esta idea, entrenaron a los ratones como antes, 3 veces al día durante 6 días, y luego les dieron tamoxifeno después del entrenamiento para inhibir la mielinización. Cuando se probaron 28 días después, los ratones que no pudieron formar nuevas vainas de mielina después del entrenamiento tuvieron un desempeño deficiente para recordar dónde estaba la plataforma oculta. Si esperaron demasiado después del entrenamiento para inhibir la formación de mielina nueva (25 días en su prueba), la memoria no se vio afectada, lo que sugiere que aún existe la ventana de tiempo posterior al entrenamiento cuando las nuevas experiencias se consolidan en la memoria. Los resultados sugieren que la nueva vaina de mielina es parte del proceso de tallar recuerdos duraderos. Pero los investigadores dieron un paso más y preguntaron cómo la mielina promueve específicamente la consolidación de la memoria. Para responder a esta pregunta, los investigadores dirigieron sus investigaciones a un entorno de aprendizaje diferente que induce recuerdos temerosos en los animales.

crear recuerdos durante el sueño

Los soldados que viajan en jeeps en Afganistán sienten una fuerte sensación de peligro por el peligro de las bombas en las carreteras, pero se relajan en los jeeps en las calles de su ciudad natal. El hipocampo es el sistema «GPS» del cerebro que determina la posición del cuerpo en el entorno, pero las funciones cognitivas de alto nivel procesadas por la corteza prefrontal son necesarias para proporcionar información sobre si una ubicación está asociada con un amigo o un enemigo. Cuando la comunicación entre el hipocampo y la corteza prefrontal se ve afectada por una experiencia traumática, la respuesta de miedo del cuerpo puede activarse de manera inapropiada, lo que hace que las personas con PTSD también sufran mientras conducen un jeep en casa. La misma fuerte sensación de peligro. Debido a que este tipo de memoria requiere una comunicación a larga distancia entre las regiones del cerebro, puede proporcionar información sobre cómo las vainas de mielina consolidan los recuerdos.

Los científicos han estudiado esta horrible forma de aprender colocando animales de laboratorio en jaulas donde se envían descargas eléctricas inofensivas pero impactantes a través del piso de metal después de un sonido de advertencia. Cuando sonó la misma sirena en la misma jaula, los animales se congelaron de miedo incluso sin golpes en los pies. Sin embargo, los animales no se congelaron ante el mismo sonido en diferentes ambientes porque no tenía nada que ver con el miedo evocado. La comunicación entre el hipocampo y la corteza prefrontal proporciona el contexto básico que evoca diferentes respuestas. La investigación realizada por NYU György Buzsáki ha descubierto que breves oscilaciones de alta frecuencia en el hipocampo, ondas cerebrales llamadas complejos de pico/ondulación, transmiten información sincronizando el acoplamiento con las neuronas corticales que operan en los llamados husos.Las oscilaciones corporales se disparan rítmicamente. Facilitar este acoplamiento rítmico puede mejorar la consolidación de la memoria.

Estas ondas rítmicas inusuales de actividad neuronal son especialmente activas durante el sueño no REM (sin sueños), y aprender una nueva tarea aumenta esta actividad. Se cree que esta transferencia de información entre el hipocampo y la corteza prefrontal durante el sueño vincula la memoria de un lugar con su contexto. En mi propia investigación, hemos descubierto que la mielina es importante para la transmisión de ondas cerebrales, lo que aumenta la necesidad de mielina nueva en la consolidación de la memoria que puede facilitar la conexión entre el hipocampo y la corteza prefrontal a través de estas oscilaciones neuronales inusuales que transmiten información.

Las ondas cerebrales oscilan en muchas frecuencias diferentes. Las oscilaciones sincronizadas en dos regiones del cerebro pueden facilitar el acoplamiento de poblaciones neuronales distantes en ensamblajes funcionales. Al igual que la sincronización de las cuerdas y los cuernos en una orquesta, los ritmos cerebrales sincronizados pueden haber acoplado neuronas en la corteza prefrontal y el hipocampo, lo que permitió a los ratones aprender a temer un lugar en particular. La mielina puede desempeñar un papel clave en la regulación de la velocidad de transmisión de ondas cerebrales. Si las ondas de actividad neuronal no viajan a la velocidad adecuada, la interferencia destructiva de una onda con otra interrumpirá la transmisión de información rítmica en el cerebro, al igual que un músico que toca horas extras puede interrumpir una sinfonía.

Curiosamente, se encontraron cambios en la mielina durante el sueño y la privación del sueño. Steadman y sus colegas probaron si la formación de mielina durante el sueño podría facilitar el aprendizaje al aumentar el acoplamiento de la actividad de las ondas cerebrales al registrar las oscilaciones neuronales en el hipocampo y la corteza prefrontal de los ratones. Descubrieron que cuando la formación de nuevas vainas de mielina se vio afectada por la eliminación del gen MRF, la sincronización del acoplamiento de ondas cerebrales se redujo de hecho, y los animales no recordaban los recuerdos de miedo aprendidos en el entorno impactante. .

Juntos, estos estudios muestran que la formación de mielina nueva es necesaria para el aprendizaje porque consolida los recuerdos al promover la actividad coordinada de ondas cerebrales entre el hipocampo y la corteza prefrontal. Otros tipos de aprendizaje también parecen requerir la nueva mielina, por ejemplo, para mejorar la coordinación motora. «Cuando pensamos en cómo consolidar los recuerdos, tradicionalmente siempre pensamos en la plasticidad sináptica. Nuestros resultados sugieren que una forma completamente diferente de plasticidad [myelin plasticity] También juega un papel clave en la consolidación de los recuerdos», dijo Frankland. James McGaugh de UC Irvine, un distinguido investigador de UC Irvine, está de acuerdo: «Este artículo informa hallazgos novedosos y muy interesantes… propone nuevas direcciones para comprender cómo se almacena la memoria. formado. «

Prestar atención al fortalecimiento y debilitamiento de las sinapsis es esencial para el aprendizaje, pero también lo es llegar a la estación a tiempo para hacer las conexiones correctas.Aquí es donde las células no neuronales que producen mielina para acelerar la transmisión a través de la red neuronal ayudan a formar nuevos recuerdos. .