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1 Neurofisiología II – Cát. 123 Ficha de cátedra Nº 6 Aprendizaje y memoria María Gabriela Sánchez Negrete Índice Síntesis del tema 2 Tipos de memoria 2 Bases neuroanatómicas de la memoria 7 Esquema anatómico funcional hipotético para los procesos mnésicos 9 Sistemas de memoria 9 Alteraciones de la memoria 11 Conclusiones 12 Referencias bibliográficas 13 2 1. Síntesis del tema 1.1. Conceptos de memoria, aprendizaje y plasticidad La memoria es un conjunto de procesos psicológicos por los cuales se incorpora, se consolida, se almacena y se recupera la información que es relevante para la conducta. En tanto estos no son observables directamente, la memoria y sus procesos se definen operacionalmente en base a situaciones y tareas en las cuales la conducta de los individuos exhibe cambios observables. Se define como aprendizaje al cambio de conducta que resulta de la experiencia del individuo. En consecuencia, la memoria puede ser definida operacionalmente como la persistencia del aprendizaje. Se define como plasticidad al conjunto de fenómenos de modificaciones funcionales y estructurales, transitorios y persistentes de la actividad y organización del sistema nervioso que son correlativos al aprendizaje y la memoria. Algunos fenómenos plásticos del SNC (especialmente fenómenos moleculares, cambios en los potenciales de membrana, y de conexiones sinápticas), pueden ser comunes a los distintos subtipos de memoria. Algunas estructuras del SNC, son particularmente críticas para los diferentes subtipos de memoria, por lo que se describirán en forma especial. 1.2. Consolidación, almacenamiento y recuperación de la memoria Diferentes estructuras del SNC, son particularmente críticas para los diferentes subtipos de memoria, especialmente en la consolidación, almacenamiento y recuperación, por lo que se describirán en forma especial. En particular, la recuperación de la memoria no siempre es consciente, así sucede frente a instancias emocionales fuertes (trauma), o en la memorización de las actividades motoras (p.e. andar en bicicletas). Estas memorias de carácter inconsciente han sido denominadas “memoria emocional” y “memoria procedural” respectivamente. En contraposición a estas dos memorias, la “memoria declarativa” es la que opera con datos concretos (ver memoria a largo plazo). 2. Tipos de memoria La memoria puede ser clasificada 1) según el curso temporal, y 2) según el contenido o naturaleza de la información memorizada. 3 2.1. Según el curso temporal 2.1.1. Memoria sensorial Las memorias icónica (visual), ecoica (auditiva), etc. se caracterizan por una persistencia menor al segundo (generalmente centésimas de milisegundos). Se experimentan como la persistencia de la imagen sensorial aunque el estímulo haya sido suprimido. Aún no está del todo claro si éste es un fenómeno periférico (a nivel del receptor sensorial), central o ambos (periférico-central) que involucra también procesos atencionales. 2.1.2. Memoria de corto plazo La información ingresada puede ser mantenida durante minutos y ser sostenida durante un tiempo mayor por acciones realizadas con esa información (p.e. repetición). Una variedad de memoria de corto plazo, denominada memoria de trabajo, consiste en el almacenamiento temporario de información para ser utilizada en una o más tareas simultáneamente, (p.e. cálculo aritmético, escritura, etc.). La información conservada en este almacenamiento transitorio se caracteriza por la modalidad de ingreso sensorial (p.e. fonológico en el caso de información verbal, espacial en el caso de información visual, o episódico en otras modalidades unitarias o combinadas). Uno de los posibles mecanismos neurofisiológicos que permite explicarla, es la existencia de una activación neuronal que mantiene la información en “circuitos reverberantes”. También ha sido sugerida una mayor eficacia de la transmisión sináptica como explicación de este fenómeno. Los neurotransmisores liberados pueden facilitar o inhibir sinapsis desde unos segundos hasta varios minutos. Así los recuerdos pueden llegar a durar desde varios minutos a semanas, pero terminarán desapareciendo si no se activan suficientemente los circuitos neuronales que subyacen. Sólo en el caso que estos circuitos se activen suficientemente, estos recuerdos se volverán más permanentes y se clasificarán como recuerdos a largo plazo. La memoria a corto o mediano plazo tiene como sustrato biológico los cambios químicos del terminal presináptico y/o de la membrana postsináptica. Estos cambios pueden durar desde unos pocos minutos a un par de semanas. Kandel demostró el mecanismo de la habituación en el caracol Aplysia y que, en consecuencia de la misma, desaparece la respuesta que se venía dando. Para que se de este fenómeno, el estímulo tiene que ser repetitivo e insignificante, por lo tanto, se deja de responder al mismo. También demostró que, si el estímulo es nocivo, en lugar de hacerse más débil la señal enviada a la neurona postsináptica (como en el caso de la habituación), la misma se va 4 haciendo progresivamente mayor, por lo tanto, el estímulo nocivo hace que la vía de la memoria quede facilitada durante días e incluso semanas lo que se denomina sensibilización. La memoria a corto plazo tiene una capacidad limitada y temporaria. La información puede perderse por la entrada de nueva información, esto hace que sea una memoria muy sensible a los fenómenos de interferencia. 2.1.3. Memoria de largo plazo La información que persiste durante días, meses, años es la memoria de largo plazo. Supone un proceso de consolidación de la información almacenada. En los seres humanos se pueden distinguir dos subtipos de memoria de largo plazo: la memoria declarativa (o explícita), que se evalúa por lo que el sujeto dice recordar, y la memoria no-declarativa (también conocida como implícita) que se evalúa por el comportamiento del sujeto, es decir la recuperación de la información almacenada se demuestra mediante una habilidad o un procedimiento. Dentro de la memoria declarativa pueden distinguirse dos variedades: la memoria episódica, o recuerdos de sucesos en el contexto de lugares y tiempos específicos, y la memoria semántica, o recuerdos de conocimiento general. En los seres no-humanos, sólo puede ser evaluada la memoria no-declarativa aunque existen algunos modelos experimentales de memoria episódica en no-humanos. La memoria de largo plazo, involucra nueva síntesis proteica, lo que permite, a su vez, la modificación de sinapsis o bien la generación de nuevas sinapsis. Entonces, cuando una información se almacena a largo plazo, se producen cambios en la conectividad sináptica llevándose a cabo un cambio morfológico/funcional cerebral. Los cambios estructurales sucedidos en las sinapsis son los que propiamente la distinguen de la memoria a corto plazo, ya que esta última involucra únicamente 5 cambios químicos temporarios que potencian o inhiben la conducción de señales nerviosas. La memoria a largo plazo tiene como sustrato biológico la potenciación a largo plazo (PLP). La misma es un mecanismo responsable de algunos cambios sinápticos que ocurren durante el aprendizaje. Ha sido demostrado que la PLP ocurre en las células CA3 del hipocampo, pero también en otras áreas del cerebro. La PLP sigue la regla de Hebb, que establece que cuando una sinapsis es activada al mismo tiempo que la neurona postsináptica, esa sinapsis se reforzará. Es decir, cuando las sinapsis débiles y fuertes de una neurona se estimulan aproximadamente al mismo tiempo, las sinapsis débiles se refuerzan. La potenciación a largo plazo se produce entonces, por la asociación en tiempo de dos condiciones simultáneas: la activación de la sinapsis y la despolarización de la neurona postsináptica. En la misma intervienen:el receptor postsináptico NMDA (canal Ca2+ dependiente del neurotransmisor y del voltaje), que se une al neurotransmisor glutamato, y permite la entrada de iones de Ca2+ luego de haber expulsado al ion magnesio (Mg2+). Y, receptores no NMDA, que permiten la despolarización de la membrana postsináptica lo que permite a su vez, la expulsión del Mg2+ del receptor NMDA. De esta forma la neurona despolarizada y en presencia de glutamato, abre los canales NMDA, permitiendo que el Ca2+ entre a la espina dendrítica. El Ca2+ por su parte, activa enzimas, y estimula la producción del gas óxido nítrico. Este gas viaja de la post-sinapsis a la pre- sinapsis y facilita la liberación de más glutamato. 2.2. Según la naturaleza de la información 2.2.1. Memoria perceptual Existen varias formas de memoria perceptual. Una de estas formas, la facilitación sensorial o "priming", es considerado una forma de aprendizaje perceptual por el cual el reconocimiento es facilitado por la presentación previa de estímulos (aunque no exista la consigna explícita del aprendizaje). 2.2.2. Memoria estímulo-respuesta El aprendizaje no asociativo incluye los fenómenos de habituación (disminución de la respuesta por presentación repetida del estímulo) y sensibilización (aumento de la respuesta por presentación previa de un estímulo nocivo). El aprendizaje asociativo, incluye las contingencias entre estímulos y respuestas en sus modalidades de condicionamiento clásico (Pavlov) y condicionamiento instrumental (Skinner). 6 2.2.3. Memoria motora Se pueden distinguir varias formas de memoria motora: Las llamadas destrezas, son un conjunto de habilidades adquiridas (habilidades deportivas, artesanales, artísticas, etc.). Las denominadas praxias, constituyen formas adquiridas de comportamiento de menor o mayor complejidad que se expresan en el rostro, las extremidades o el uso y manipulación de objetos (p.e. praxias del vestir, praxias constructivas). 2.2.4. Memoria relacional Un modelo experimental de memoria relacional en animales no humanos es la memoria espacial que se observa en aves y mamíferos. En los humanos la memoria relacional se extiende a las formas de memoria declarativa, episódica y semántica, antes mencionadas. 7 3. Bases neuroanatómicas de la memoria Una gran fuente de información al respecto son las observaciones realizadas en lesiones experimentales, la estimulación y registro de actividad eléctrica en animales, evaluaciones de pacientes con lesiones cerebrales y estudios neurofisiológicos no invasivos en sujetos humanos sanos (tomografía de emisión de positrones (TEP), resonancia magnética nuclear funcional (RMN). De este modo, se recaban evidencias acerca de qué estructuras del SNC son especialmente necesarias para determinados tipos de memoria. 3.1. Lóbulo temporal En la porción medial del lóbulo temporal se encuentran de adentro hacia afuera el hipocampo, la corteza rinal (ento y pararrinal), y la corteza parahipocámpica. Estas estructuras reciben conexiones desde la corteza de asociación y proyectan hacia el diencéfalo. Se considera que este circuito es fundamental para la consolidación de la memoria de relaciones. Las lesiones de estas estructuras determinan el cuadro de amnesia anterógrada en humanos, caracterizado por defectos de la memoria declarativa con conservación de la memoria no-declarativa. En animales este tipo de lesión produce defectos en el aprendizaje de relaciones espaciales (laberintos en ratas) y entre objetos (aprendizaje diferido en primates), pero no de la adquisición de formas de condicionamiento clásico o instrumental. Tareas de recuerdo de listas de palabras en sujetos normales exhiben activación del lóbulo temporal medial en registro con TEP. Se considera que la porción lateral del lóbulo temporal, (la parte inferior es un área de asociación visual que recibe conexiones de la corteza visual del lóbulo occipital) es un circuito que participa de los procesos de memoria de tipo perceptual. En humanos y en primates, la lesión de esta área determina dificultades en la discriminación de objetos. Registros (TEP en humanos y de actividad eléctrica en primates) demuestran que esta área se activa selectivamente en relación a tareas de aprendizaje de discriminación visual. 3.2. Lóbulo frontal El lóbulo frontal participa especialmente en la memoria de trabajo. En la memoria declarativa, las funciones ejecutivas correlativas a la actividad del lóbulo prefrontal, intervienen en los procesos de estrategias de almacenamiento y recuperación de la información. 8 3.3. Lóbulo parietal El lóbulo parietal participa de procesos atribuidos tanto: a) al sistema de memoria explícita, b) al sitio de almacenamiento de información semántica (p.e. procesamiento de números y operaciones aritméticas y geométricas), c) como al sistema de memoria implícita (p.e. praxias motoras, ideomotoras, constructivas, etc.). 3.4. Estructuras diencefálicas El lóbulo temporal medial tiene conexiones con núcleos talámicos (núcleo anterior) e hipotalámicos (tubérculos mamilares), formando circuitos de interconexión. Las alteraciones de memoria provocadas por lesiones en estos núcleos son semejantes a las provocadas por lesiones del lóbulo temporal medial (amnesia anterógrada). 3.5. Estructuras del sistema límbico Correspondiente al sistema límbico, la amígdala es una estructura que participa en el control de respuestas emocionales provocadas por estímulos aversivos. El aprendizaje de estas respuestas ante estímulos neutros constituye el condicionamiento emocional. Experimentalmente se demuestra que este tipo de aprendizaje requiere la indemnidad de la amígdala y es independiente de lesiones de la neocorteza. 3.6. Cerebelo El cerebelo recibe conexiones de diferentes sistemas sensoriales y proyecta hacia núcleos de control del movimiento. Varios mecanismos reflejos son, de esta manera, controlados por la actividad del cerebelo. Se ha demostrado que ésta estructura participa también del control de varios tipos de condicionamiento clásico. Tal es el caso del condicionamiento del parpadeo por el cual un estímulo neutro (p.e. un tono) se asocia a un estímulo incondicionado (p.e. una corriente de aire sobre el ojo). 3.7. Estructuras del tallo cerebral Varios mecanismos de memoria son modulados por los sistemas de neurotransmisión originados en el tallo cerebral. Los sistemas colinérgicos y dopaminérgicos, originados en la formación reticulada, tienen un rol fundamental en la regulación de los procesos mnésicos. 9 4. Esquema anatómico funcional hipotético para los procesos mnésicos Distintas modalidades de memoria (declarativa y no declarativa) existen simultáneamente y convergen en la conducta en formas mixtas. Los procesos de memoria de tipo no declarativa se relacionan con la actividad de los sistemas sensitivo-motores correspondientes, tanto corticales como subcorticales. Los procesos de memoria de tipo declarativa se basan en relaciones, ya sea de sucesos según su organización temporal y espacial (memoria episódica), como conceptual (memoria semántica). Los procesos de consolidación de la memoria declarativa requieren de la indemnidad de los circuitos neurales provenientes de: a) la corteza de asociación, b) corteza rinal y parahipocámpica, c) hipocampo, hipotálamo (tubérculos mamilares vía fórnix) y d) tálamo (núcleo anterior). El contenido emocional y motivacional de los recuerdos se relacionan con las estructuras del sistema límbico correspondientes (amígdala y el haz procencefálico medial). Varios sistemas moduladores del tronco cerebral modifican los procesos de aprendizaje y recuperación de la información. 5. Sistemas de memoria La existencia de distintos sistemas de memoria se infiere de la relativa independencia entre los distintos tipos de memoria, por las diferentes estructurasdel SNC con los cuales estos tipos de memoria se encuentran relacionados y los diferentes mecanismos de neurotransmisión involucrados. Lo anteriormente expuesto, lleva a considerar a la memoria no como una función única sino como un complejo formado por diferentes subsistemas. Esquemáticamente se diferencian especialmente, el sistema de memoria explícita, declarativa y el de memoria implícita, no declarativa. Dentro de la memoria declarativa, a su vez, pueden identificarse el subsistema de memoria episódica y el de memoria semántica. Existen controversias, aún, sobre el grado de independencia de estos diferentes sistemas de memoria. 6. Sistemas moduladores de la memoria Si bien la información siempre ingresa al cerebro desde el medio externo a través de las áreas sensoriales primarias, el procesamiento posterior varía de acuerdo al tipo de contenido. Estas áreas primarias se ocupan de procesar las características básicas de los estímulos percibidos (forma, color, intensidad), luego ocurre un procesamiento más complejo dentro de las áreas de asociación unimodales (visual, auditiva, sensorial, 10 olfativa, gustativa) y multimodales. En estas últimas, se integra información que permite percibir a los objetos como totalidades e integrar esta información con información previa. Esta información se fijará como engrama de memoria, si se activa en simultáneo el sistema motivacional. Dentro de las estructuras que participan en la fijación de la memoria se encuentran: la formación reticular, el septum (tálamo), la amígdala, el hipocampo y algunos núcleos hipotalámicos. Este circuito motivacional, está modulado por mediadores tales como: la acetilcolina, la noradrenalina y hormonas como la adrenocorticotrofina (ACTH) y la vasopresina. Se sabe que este circuito recibe proyecciones colinérgicas procedente del núcleo basal de Meynert que proyecta sus axones hasta la neocorteza y también desde el septum hasta el hipocampo. A su vez, este circuito recibe inputs de noradrenalina proveniente del Locus coerulus y β- endorfinas desde el hipotálamo. Estos mediadores químicos participan entonces en el proceso de fijación de la memoria. Por otra parte, hormonas como la ACTH y vasopresina tienen una influencia indirecta al actuar sobre los núcleos de la formación reticular. También se sabe que una determinada conducta puede reforzarse cuando se activan núcleos de neuronas dopaminérgicas ubicados en el cerebro medio o mesencéfalo como son: la sustancia nigra o negra y el área tegmental ventral. Del área tegmental ventral surgen dos sistemas: el mesolímbico, que proyecta a la amígdala, septum lateral, núcleo basal, el hipocampo y el núcleo acumbens, y el sistema mesocortical, que proyecta sus axones a la corteza prefrontal, corteza límbica, hipocampo y otras cortezas asociativas. Es decir, los axones de estas neuronas dopaminérgicas del área tegmental ventral se proyectan ampliamente llegando a diversas estructuras nerviosas y específicamente al núcleo accumbens, a la corteza prefrontal y a la amígdala. La estimulación dopaminérgica del núcleo accumbens cumple un rol fundamental en el reforzamiento del consumo de anfetaminas, cocaína y otros estímulos apetitivos. La corteza prefrontal participa en el reforzamiento de una conducta cuando determina que dicha conducta lleva al individuo más cerca de su meta. Además, si bien la amígdala participa en las respuestas emocionales también lo hace en el reforzamiento. En síntesis, la dopamina funciona más como un neuromodulador que como un neurotransmisor y tiene un rol facilitador de la potenciación a largo plazo y en consecuencia fortalece la sinapsis. 11 7. Alteraciones de la memoria 7.1. Amnesias Las amnesias son los cuadros de disminución marcada de la memoria que pueden producirse de forma aislada (amnesias “disociadas”) o asociadas a otros defectos cognitivos (p.e. en la demencia o cuadros confusionales como el síndrome de Korsakoff). Existen tres tipos fundamentales de amnesias según el contenido de información no recuperable de la memoria de largo plazo: a) la amnesia anterógrada es la dificultad o incapacidad para consolidar en el largo plazo información almacenada en el corto plazo, con conservación de la memoria de corto plazo y de la memoria de largo plazo anterior a la ocurrencia de la causa que la produjo; b) la amnesia retrógrada es la dificultad o incapacidad para recuperar información almacenada en el largo plazo; y c) la amnesia global es la combinación de ambas formas. Estos tipos de amnesia suelen combinarse de diferente manera en los distintos cuadros clínicos, por ejemplo: la amnesia postraumática y la amnesia global transitoria son trastornos combinados de tipo anterógrada y retrógrada que afectan en forma transitoria. Las amnesias persistentes por lesión del lóbulo temporal medial o del diencéfalo son trastornos persistentes de tipo fundamentalmente anterógrado con cierto déficit de tipo retrógrado. Ha sido demostrada la importancia del hipocampo en el almacenamiento de nueva información declarativa, episódica y verbal. Personas con lesiones en estas estructuras pierden la capacidad para guardar nuevos recuerdos verbales, pero dichas lesiones no afectan tan significativamente la información almacenada con anterioridad a la lesión. A su vez, ha sido demostrado que lesiones talámicas pueden dar lugar a una amnesia retrógrada sin originar una amnesia anterógrada en sí. Por otra parte, muchas personas con lesiones en el hipocampo, presentan cierto grado de amnesia retrógrada, lo que implica que ambos tipos de amnesias están parcialmente relacionados. 7.2. Dismnesias Existen varios trastornos de la memoria caracterizado por la recuperación distorsionada o inoportuna de la información. Los recuerdos intrusivos son trastornos que se presentan en ciertos cuadros de ansiedad, depresión o de “estrés post traumático”. 12 7.3. Hipermnesia Cuadros de aumento de la magnitud de la memoria de corto plazo con facilidad para la consolidación y recuperación del largo plazo. Se asocian, muchas veces, con sinestesias y suelen ser trastornos poco frecuentes que afectan también otras funciones mentales como el lenguaje y pensamiento. 7.4. Crisis mnésicas Equivalentes no convulsivos de hiperactividad epileptiforme de la corteza cerebral focalizada en áreas relacionadas con las funciones mnésicas producen diversos tipos de crisis (p.e. escenas vívidas transitorias de eventos pasados, fenómenos de “ya visto”). 8. Conclusiones La unidad del sistema nervioso, la neurona, tiene entre sus propiedades la plasticidad. La red neural, con su elevado número de neuronas, mecanismos, estructuras, interconexiones, sistemas, etc. no “agrega” sino que potencia las capacidades plásticas del sistema nervioso, de manera de hacer del aprendizaje y la memoria recursos que han permitido a los organismos salir de los automatismos o patrones conductuales rudimentarios de las formas ancestrales de seres vivientes. No obstante, a pesar de que los cambios en la filogenia hayan constituido escalones cualitativos en la evolución –especialmente en lo que respecta a la cognición, afectividad, aprendizaje y memoria–, el principio de “continuidad” entre las especies vivientes, no sólo continúa siendo una realidad generalizada, sino que sirve para la exploración de las neurociencias de la cognición y la conducta, especialmente en lo que hace al aprendizaje y la memoria. 13 Referencias bibliográficas Álvarez -González, M. A, Trápaga-Ortega, M. (2005). Principios de Neurociencias para Psicólogos. Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina: Ed. Paidós. Brusco, I. (2018). Salud Mental y Cerebro. CABA, Argentina: Ed. Akadia Carlson, N. (1996) Fundamentos de Psicología Fisiológica (3º edición). D. F, México: Ed. Prentice-Hall Hispanoamericana Guyton, A. C., Hall, J. E.(2011). Tratado de Fisiología Médica. (12º edición). Barcelona, España: Ed. Elsevier. Kandel, E. R. (2001). The molecular biology of memory storage: A dialogue between genes and synapses. Science, 294, 1030-1040. Purves, D.; Augustine, Fitzpatrick, Hall LaMatia, White. (2010). Neurociencia (3º ed). Buenos Aires, Argentina: Ed. Panamericana Índice 1. Síntesis del tema 1.2. Consolidación, almacenamiento y recuperación de la memoria 2. Tipos de memoria 2.1. Según el curso temporal 2.1.2. Memoria de corto plazo 2.1.3. Memoria de largo plazo 2.2. Según la naturaleza de la información 2.2.2. Memoria estímulo-respuesta 2.2.3. Memoria motora 2.2.4. Memoria relacional 3. Bases neuroanatómicas de la memoria 3.1. Lóbulo temporal 3.2. Lóbulo frontal 3.3. Lóbulo parietal 3.4. Estructuras diencefálicas 3.5. Estructuras del sistema límbico 3.6. Cerebelo 3.7. Estructuras del tallo cerebral 4. Esquema anatómico funcional hipotético para los procesos mnésicos 5. Sistemas de memoria 6. Sistemas moduladores de la memoria 7. Alteraciones de la memoria 7.2. Dismnesias 7.3. Hipermnesia 7.4. Crisis mnésicas 8. Conclusiones Referencias bibliográficas
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