Bases fisiologicas del aprendizaje y la memoria

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Bases Fisiológicas del Aprendizaje 
y la Memoria
William James (1890):
“When two elementary brain-processes have 
been active together or in immediate 
succession, one of them, on reoccurring, 
tends to propagate its excitement into the 
other.”
Santiago Ramón y Cajal (~1890):
Los procesos de aprendizaje y memoria son 
mediados por cambios en la estructura de las 
conexiones sinápticas.
Donald O. Hebb (1949)
“When an axon of cell A is near enough to excite a cell 
B and repeatedly or persistently takes part in firing it, 
some growth process or metabolic change takes place 
in one or both cells such that A's efficiency, as one of 
the cells firing B, is increased. “
A
C
B
Formación de Engramas
“Let us assume that the persistence or repetition of a reverberatory activity (or 
"trace") tends to induce lasting cellular changes that add to its stability” (Hebb, 1949)
Plasticidad Sináptica:
Cambios en la eficiencia sináptica (potenciación 
o depresión de la función sináptica) producidos 
por ciertos patrones de actividad sináptica.
Aprendizaje:
Modificación de una conducta anterior o 
adquisición de una nueva conducta, debido 
a la experiencia.
La posibilidad de evocar posteriormente 
esta nueva conducta, al recrear las 
condiciones en las que ésta fue aprendida, 
indica que se formó una memoria.
Hipótesis:
Durante un proceso de aprendizaje se producen cambios plásticos en 
la eficiencia de las sinapsis (en los circuitos neuronales involucrados), 
inducidos por actividad sináptica intensa. Estas modificaciones y su 
persistencia en el tiempo constituyen, al menos en parte, la base 
fisiológica del aprendizaje y la memoria.
PLASTICIDAD 
SINÁPTICA
APRENDIZAJE Y 
MEMORIA
AUNQUE...propiedades eléctricas intrínsicas también se modifican!
The human brain has...
 ~1011 Neurons 
 ~104 Synapses per nerve cell (some neurons, e.g. 
Purkinje cells, form even >100,000 synaptic contacts)
 in total ~1015 synapses
 ~109 synapses per mm3
 wiring (axons) of about 106 km length
 a typical synapse has the size of E. coli bacterium
Diap E Gundelfinger
E. Gundelfinger
Plasticidad Sináptica:
Cambios en la eficiencia sináptica 
(potenciación o depresión) generados 
por la misma actividad sináptica. 
Efectos de corta duración: ms - min
Efectos de larga duración: horas – semanas - años
Plasticidad sináptica de corta duración:
Estos fenómenos involucran modificaciones transitorias en canales 
de iones y en sistemas de mensajeros secundarios.
Plasticidad sináptica (y memoria) de larga 
duración:
Requiere de síntesis de proteínas y cambios estructurales en las 
conexiones sinápticas.
Registro en rebanadas 
de cerebro
Hipocampo
Preparación de rebanadas de cerebro de rata
Esta preparación permite realizar registros electrofisiológicos en 
neuronas que conservan su conectividad intacta
Rebanadas de 
300-500 mm 
de espesor
¿Cómo se registran los potenciales sinápticos?
registro intracelular
5 mV
10 ms
EPSP: “excitatory postsynaptic potential”
I-clamp
También es posible registrar las corrientes postsinápticas:
EPSC: ¨excitatory postsynaptic current”
Vhold= -60 mV
V-clamp
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/0/0d/Field_potential_schematic.jpg
registro extracelular
5 mV
10 ms
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/0/0d/Field_potential_schematic.jpg
decenas-cientos de µV
En regiones con alta densidad de neuronas ordenadas en capas, como el hipocampo
o la corteza, se registra un potencial sináptico de campo o field EPSP (fEPSP), que 
puede tener una amplitud de unos pocos mV 
fEPSP: “field excitatory postsynaptic potential”
registro extracelular
5 mV
10 ms
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/0/0d/Field_potential_schematic.jpg
fEPSP
5 mV
10 ms
1 mV
EPSP
Registro de potenciales sinápticos:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/0/0d/Field_potential_schematic.jpg
Plasticidad sináptica de corta duración 
(seg – min), conceptos generales
Ejemplo de plasticidad de corta duración:
Facilitación de Pulsos Pareados (Pair Pulse Facilitation, PPF)
Δt = 50 ms
10 ms
0.4 mV
Registro de potenciales 
sinápticos de campo 
(fEPSP) en rebanadas de 
hipocampo de rata
Pair Pulse Facilitation (PPF)
Facilitación de Pulsos Pareados
Matthews, 2001
Facilitación, aumentación, potenciación post-tetánica:
Son causados por acumulación de calcio en el terminal presináptico.
Disminución del pool de vesículas 
rápidamente liberables Inhibición por Ca2+ de 
canales de Ca2+
Activación de canales de 
K+ activados por Ca2+
Depresión sináptica de corta duración: mecanismos implicados se 
localizan en terminales presinápticos
Matthews, 2001
Activación de receptores 
presinápticos acoplados a proteína 
G (modulación de canales 
dependientes de voltaje):
a) Autorreceptores. 
b) Circuito multisináptico de 
retroalimentación negativa.
Diferentes tipos de modificaciones presinápticas (potenciación o depresión):
1. Acumulación de calcio presináptico puede producir:
a) Efecto directo sobre la liberación de vesículas (pool de liberación rápida).
b) Alteraciones en el reciclaje de vesículas.
c) Modulación de canales de iones. 
2. Activación de receptores acoplados a proteína G presinápticos:
a) Modulación de canales de iones.
Conexión con Aprendizaje y Memoria: 
Trabajos en invertebrados (E. Kandel)
Aplysia californica
Ejemplos de aprendizaje relacionados con dos 
conductas reflejas en Aplysia:
Habituación: reducción en la respuesta a un estímulo inocuo que se 
repite.
Sensibilización: aumento de la respuesta producido por un estímulo 
intenso (estímulo sensibilizante)
Estímulación táctil del sifón (estímulo 
neutro para el animal) produce la 
contracción de la branquia
Reflejo sifón - branquia Reflejo cola - sifón
Estímulación táctil de la cola 
(estímulo doloroso para el animal) 
produce la contracción de la cola y 
branquia
Habituación:
Después de varios estímulos, 
la respuesta deja de expresarse.
Sensibilización:
Al aplicar un estímulo intenso en la cola, 
un posterior estímulo sobre el sifón 
produce la retracción de la cola y 
branquia. Esto ocurre incluso cuando 
previamente se ha inducido habituación.
Reflejo sifón - branquia Reflejo cola - sifón
Circuito neuronal involucrado en la generación del reflejo sifón–branquia:
Circuito neuronal involucrado en la generación del reflejo sifón–branquia:
Registros 
intracelulares in vivo
20 mV
100 ms
Registro simultáneo de neurona 
sensitiva y motoneurona
Estimulación induce 
descarga en neurona 
sensitiva
EPSP inducido en 
neurona motora 
24 neuronas sensitivas
6 motoneuronas
3 interneuronas
Habituación
4 sesiones de 10 estímulos, separadas 
por horas:
Habituación de larga duración (semanas).
Una sesión de 10 estímulos táctiles:
Habituación de corta duracion (min).
Luego de 10 estímulos 
táctiles sobre el sifón
neurona motora
neurona sensitiva
¿Mecanismo de la habituación?
Castellucci y Kandel (1974) realizan análisis de liberación cuántica de neurotransmisor
Registro de las respuestas sinápticas en motoneuronas durante la 
estimulación repetida de las neuronas sensitivas en régimen de baja 
probabilidad de liberación de neurotransmisor:
Ejemplo: Análisis de liberación cuántica de neurotransmisor (bajo calcio 
extracelular), en la placa neuromuscular:
Análisis de mepp (cuantas):Análisis de epp:
Se determina: 
- El tamaño cuántico (q): potencial sináptico promedio producido por la liberación 
espontánea de una vesícula.
- El contenido cuántico (m): nro. Promedio de vesículas liberadas por estimulación 
del nervio.
i = 0 1 2 3
Determinación experimental de q y m (resumen): 
A. El valor de q se estima a partir del primer pico del histograma de 
amplitudes o del valor promedio de los minis (mepp o mEPSP). 
B. El valor de m puede determinarse de las siguientes maneras:
a) De la expresión m = <EPSP>/q
b) De la probabilidad de fallos: m = ln(1po)
c) Del coeficiente de variación. m = 1/(CV)2
Liberación Cuánticade Neurotransmisor
m = contenido cuántico (número promedio de cuantas liberados por impulso)
“q” o <mEPSP> = tamaño cuántico (amplitud promedio del potencial 
sináptico generado por la liberación espontánea de una vesícula)
El análisis estadístico mostró que, durante la habituación:
- q no cambia.
- m disminuye progresivamente.
4 sesiones de 10 estímulos Habituación de larga 
duración (días).
Sensibilización: aumento en la respuesta a un estímulo táctil (inocuo) 
después de la exposición a un estímulo intenso (doloroso).
Modelo propuesto para el mecanismo de la sensibilización:
S-type
K channels
Sensibilización de larga duración inducida por estimulación repetida de la cola 
La generación de esta 
memoria de largo plazo 
requiere de transcripción 
génica y síntesis de 
nuevas proteínas. Uno 
de los resultados es la 
activación constitutiva de 
PKA y la fosforilación 
persistente de sus 
blancos: canales iónicos 
y otras proteínas 
involucradas en el 
crecimiento de nuevas 
conexiones sinápticas.
Cambios estructurales asociados a habituación y 
sensibilizacion de larga duración en Aplysia
Plasticidad sináptica de larga duración en el cerebro 
de mamíferos
Transmisión sináptica excitatoria en sinapsis centrales
Micrografía electrónica y diagrama de zona activa y densidad postsináptica 
(DPS) de sinapsis glutamatérgica central
Receptores de Glutamato
Principales receptores 
ionotrópicos postsinápticos 
en corteza e hipocampo
El receptor de NMDA (NMDAR)
El canal conduce cuando existe despolarización pre y postsináptica
Bloqueo por Mg2+ dependiente del 
potencial:
Corrientes postsinápticas excitatorias (EPSCs) registradas a distintos 
potenciales de membrana (V-clamp)
Las dos componentes de las EPSCs pueden separarse utilizando agentes 
famacológicos (CNQX: inhibidor de corrientes AMPA)
control
CNQX
peak
(control)
AP5 o APV bloquea las corrientes tipo NMDA (componente tadía dependiente del 
potencial)
control
APV
peak
Esquema del hipocampo de rata (sección transversal) y del 
circuito tri-sináptico
Bliss y Lomo (1973) inducen por primera vez potenciación de larga duración (LTP) 
en el hipocampo (in vivo).
Potencial sináptico 
de campo (fEPSP)
Ubicación de electrodos de 
registro (Rec) y estimulación 
(Stim).
“Condicionamiento”: 10-20 Hz, 15 s
o 100 Hz, 3 - 4 s, inducen 
potenciaciones que duran 30 min – 10 h 
Potenciación de Larga 
Duración (LTP)
Preparación de rebanadas de cerebro
fEPSP
0.5 mV
5 ms
Long term potentiation (LTP)
0
50
100
150
200
0 40 80 120 160
Time (min)
N
o
rm
. 
E
P
S
P
 
100 Hz, 1s
Se estimulan dos vías sinápticas independientes, en una de ellas se 
induce plasticidad dependiente de actividad y la otra se utiliza como 
control.
Purves 2001
La LTP puede durar horas (rebanadas) y 
hasta meses (in vivo).
Mecanismo de la LTP???
Coincidencia de estímulo présinaptico y despolarización de célula 
postsináptica genera LTP
Matthews, 2001
(-80 mV)
Registro en CA1, 
estímulo en 
colaterales de 
Schaeffer 
Pareamiento de 
estímulos pre y 
post sinápticos 
(inyección breve de 
corriente).
Huerta and Lisman, 1995 
LTP inducida por un único 
burst de 4 estímulos (100 
Hz), aplicados durante un 
máximo de la onda theta del 
potencial de campo inducida 
por agonistas colinérgicos. 
Participación de receptores NMDA en la inducción de LTP
AP5 (o APV), inhibidor de receptores NMDA 
200
150
100
20 40 60
min
N
o
rm
 f
E
P
S
P
 S
lo
p
e
Calcio participa en la inducción de LTP
Célula de CA1 inyectada con 
Fura 2, estímulos de 100 Hz en 
presencia o no de APV, 
bloqueador de NMDARs
100 Hz
Hay entrada de calcio a través 
de NMDARs ubicados cerca de 
la zona estimulada.
Otros experimentos: Si se inyecta BAPTA o EGTA NO se 
produce LTP
Transmisión sináptica 
normal (o basal)
Receptores de NMDAR: 
Detectores de coincidencia
Plasticidad Sináptica
Propiedades de la LTP
Derkach et al, 2007
Efectos del aumento 
localizado de calcio 
en espinas 
Participación de quinasa dependiente de Ca2+/calmodulina 
(CAMKII) en inducción de LTP
CaMKII (273-302): inhibidor de CaMKII
Inyección postsináptica de CaMKII constitutivamente activa
•Registros de patch-clamp en dendritas
de células piramidales de CA1 
(Vm = -70 mV).
•Electrodo de estimulación a 
20-40 um de la dendrita: sólo unas 
pocas sinapsis son activadas. 
Benke et al, 1998. Nature 393:793-7
Análisis de ruido de corrientes macroscópicas:
Análisis de ruido de las corrientes de tipo AMPA:
Benke et al, 1998. Nature 393:793-7
Antes la inducción de LTP:
Ver leyenda adjunta
Benke et al, 1998
Análisis de ruido de las corrientes de tipo AMPA: efecto de LTP
60% de las
neuronas
40% de las
neuronas
Otros trabajos: La fosforilación por CaMKII de la subunidad 
GluR1 de los receptores AMPA aumenta su conductancia de 
canal único (Derkach et al, 1999).
Estimulación tetánica induce aumento de receptores AMPA en 
espinas dendríticas
Se expresa subunidad 
GluR1 con marcador 
fluorescente
Shi et al, (1999). Science 284:1811
Sobreexpresión de GluR1: “marcador electrofisiológico”
Shi et al, (1999). Science 284:1811
hetero-oligómeros
homómeros (GluR1)
Expresión de una forma constitutivamente activa de CaMKII junto con GluR1 
aumenta la transmisión sináptica por inserción de receptores AMPA que 
contienen la subunidad GluR1.
Hayashi et al, (2000)
Transmisión sináptica 
aumentada en células 
infectadas
Rectificación aumentada 
en células infectadas
Depresión 
de larga 
duración 
(LTD)
Vías regulada y constitutiva para la inserción de receptores en las sinapsis
Esteban, 2005
LTP:
También hay 
inserción de 
homómeros 
de GluR1
Derkach et al, 2007 Borgdorff y Choquet, 2002
Movimiento de 1 subunidad 
GluR2 
Derkach et al, 2007
Yang et al, 2008
Tyrosine kinases 
Fases de la LTP
LTP temprana (E-LTP)
Anisomicina: inhibidor de la síntesis proteica
Actinomicina D: inhibidor de la trascripción
1 x (100 Hz, 1 s) 4 x (100 Hz, 1 s)
LTP tardía (L-LTP)
Fases de la LTP
LTP temprana (E-LTP)
Anisomicina: inhibidor de la síntesis proteica
Actinomicina D: inhibidor de la trascripción
1 x (100 Hz, 1 s) 4 x (100 Hz, 1 s)
LTP tardía (L-LTP)
LTP temprana no requiere de transcripción génica ni síntesis de proteínas, 
contrariamente a LTP tardía.
Tyrosine kinases 
Induction of LTP
MAPK
PKA
LTP tardía (L-LTP)
síntesis 
local de 
proteínas
transcripción
síntesis de proteínas
Blitzer, 2005. Review 
Proteína fosfatasa 1 (PP1),
desfosforila a CaMKII, GluRs, 
entre otros
Proteína quinasa A,
fosforila a un inhibidor de 
PP1.
PKA actúa como “compuerta” para la inducción de LTP tardía
transcripción génica (vía CREB) y 
síntesis de nuevas proteínas
Algunas proteínas sintetizadas 
después de inducción de LTP:
• CaMKII
• Factores de elongación
• GluR1
• BDNF (brain derived 
neurotrophic factor)
Estructura y regulación de la CAMKII
Lisman et al, 2002. Nature Rev. 
Neurosci 3:175-190.
Sin autofosforilación: ~1 s
Distintos niveles de activación de CAMKII con distintos 
niveles de calcio. Persistencia del estado activado
Lisman et al, 2002
Después de inducir LTP, la 
autofosforilación se mantiene por al 
menos 8 hrs.
Densidad 
postsináptica 
(DPS)
Curr Op Neurobiol 14: 318-327, 2004
NMDAR
CaMKII es la proteína más 
abundante en las DPS, donde 
se une al NMDAR, a proteínas 
de andamio y a elementos del 
citoesqueleto, en una forma que 
depende complejamente de su 
estado de activación y/o 
autofosforilación.
Después de inducir LTP, 
aumenta la cantidad de 
CaMKII en espinas y DPS.
Deleción del sitio de 
autofosforilación de CaMKII 
inhibe la LTP y afecta el 
aprendizaje
Ver leyenda adjunta
Colbran and Brown, 2006
Curso temporal de las modificaciones en CaMKII y receptores AMPA 
después de la inducción de LTP
Posibles mecanismos de potenciación de la transmisión sináptica por 
CaMKII:
Lisman et al, 2002
LTP temprana (E-LTP)
1 x (100 Hz, 1 s) 4 x(100 Hz, 1 s)
LTP tardía (L-LTP)
Cómo es que se mantiene la especificidad de la L-LTP???
Inhibidor de síntesis 
proteica
Si se aplica 1 tétano, se 
observa algo similar
Inhibidor de síntesis 
proteica
Si se aplica 1 tétano, se 
observa algo similar
Inhibidor de sintesis 
proteica
Normalmente se induce sólo E-LTP con un tétano. 
Sin embargo, si éste se aplica después de inducir 
LTP en otra vía, 1 tétano basta para inducir L-LTP.
Si se aplica 1 tétano, se 
observa algo similar
Inhibidor de síntesis 
proteica
Normalmente se induce solo E-LTP con un tétano. 
Sin embargo, si éste se aplica después de inducir 
LTP en otra vía, 1 tétano basta para inducir L-LTP.
Si se aplica 1 tétano, se 
observa algo similar
Evidencia en favor de la 
existencia de un “synaptic tag”: 
Frey and Morris, 1997
Hipótesis de la existencia de un tag, supone que:
- La producción de macromoléculas es dependiente de la síntesis de proteínas.
- La generación del tag es independiente de la síntesis de proteínas.
tag
Evidencia de síntesis de proteínas en dendritas:
-Presencia de poliribosomas, retículo endoplásmico y elementos de Golgi en 
dendritas y espinas.
-Inducción de LTP y síntesis de proteínas en dendritas aisladas del soma.
-Se ha observado transporte de gránulos de mRNA hacia dendritas y espinas 
después de inducción de LTP.
(Review: Kelleher et al, 2004).
BDNF induce 
síntesis local de 
proteínas en 
dendritas aisladas 
del soma 
Aakalu et al, 2001
GFP: reportero de 
síntesis proteica
Retículo Endoplásmico (ER) dendrítco y el aparato de la espina (SA)
Hanus and Ehlers, 2008
El aparato de la espina
sinaptopodina
1 mm
1 mm
Jedlicka et al, 2008
Jedlicka et al, 2008
El Aparato de Golgi neuronas
Hanus and Ehlers, 2008
Lu et al, 2008
Cultivos neuronales
(Review:Kelleher et al, 2004).
Schuman et al, 2006
Bramhan & Wells, 2007
Liberación de BDNF durante E-LTP y L-LTP
Lu et al, 2008
Lu et al, 2008
1x100 Hz
o
1x100 Hz
o
Lu et al, 2008
Bear and Dudek, 1993
Se induce en las sinapsis de col. de 
Schaeffer con CA1, pero mediante 
estimulación de “baja” frecuencia: 1 Hz, 
durante15 min)
Depresión sináptica de larga 
duración (LTD) en CA1
Depresión de larga duración: LTD 
(Hipocampo)
Inyección postsináptica de BAPTA o 
EGTA bloquea LTD
Ac Okadaico: inhibe fosfatasas PP1 y 2A
PP1 se activa por defosforilación de un 
inhibidor 
Inducción de LTD también requiere la 
activación de receptores de NMDA
Bear and Dudek, 1993
Dependiendo de la frecuencia de estimulación presináptica, se puede 
inducir LTP o LTD en las mismas sinapsis
Inducción diferencial de LTP o LTD?
• Magnitud y cinética de los 
cambios en la concentración 
de calcio (las fosfatasas dep 
de calcio tienen menor 
afinidad por este ion que las 
kinasas). 
• Activación de diferentes 
subunidades de receptores 
de NMDA (NR2A, NR2B)? 
Problema: no existen 
inhibidores específicos.
Posibles factores que inciden 
en la activación diferencial de 
una u otra vía: 
En las dendritas también hay canales dependientes del potencial.
Existe propagación retrógrada de potenciales de acción desde el soma-axón hacia las 
dendritas.
dendrita 
apical
Axón no se 
muestra
Popagación 
retrógrada 
de Pot. 
Acción
Diferentes 
canales en 
dendritas
STDP: Spike timing dependent plasticity
Plasticidad hebbiana inducida por descarga casi 
simultánea de células pre y postsinápticas. 
Se induce LTP o LTD, dependiendo del orden de las 
descargas (pre y post)
STDP
0-100 ms 0-20 ms
Estimulación tetánica