Condicionamiento clásico, memoria asociativa y sinapsis

Pavlov dedujo de sus experimentos de condicionamiento que este funcionaba por la creación de una memoria asociativa que relacionaba el estímulo condicionado, el natural o incondicionado y la respuesta al primero por parte del animal. Esa memoria, como postulaba Ramón y Cajal, debía basarse en las sinapsis, las conexiones entre neuronas que transmitían los impulsos nerviosos entre los sistemas receptores y los sistemas efectores, pero no solo entre receptores y efectores, sino también entre los receptores del estímulo incondicionado y los del estímulo condicionado, produciéndose esta última transmisión en centros nerviosos. Lo que esto significa es que en el aprendizaje por condicionamiento clásico deben producirse una formación de algunas sinapsis al mismo tiempo que una desaparición de otras en el surgimiento de la memoria asociativa.

Se sabe que en los mamíferos, las aves y los reptiles la memoria se forma básicamente en una estructura cerebral conocida como amígdala, por lo que podría estudiarse esta dinámica de formación y desaparición de sinapsis accediendo a ella. Pero su profundidad en el cerebro hace que esto sea extremadamente difícil. Sin embargo, sí es accesible una estructura llamada palio del cerebro del pez cebra, por lo menos en su fase larval media. Esta estructura, en la superficie cerebral, es homóloga de la amígdala y tiene las mismas funciones y fisiología. Trece biólogos han abordado así la cuestión y han dado cuenta de su estudio en el número del 14 de enero de PNAS.

Como introducción, los autores del estudio explican los cambios observados en la amígdala y en otras zonas cerebrales después de experimentos de condicionamiento clásico: medidas indirectas de fuerza sináptica han evidenciado cambios en la cantidad de receptor AMPA/NMDA en corrientes postsinápticas excitatorias, aumentos en la proporción entre esos dos receptores en la amígdala. Más allá de la amígdala, se han observado en un engrama un engrama es una estructura de interconexión neuronal estable cuyo efecto es la activación en red de un grupo de neuronas en una determinada región del hipocampo cuyas neuronas reciben información de otro engrama concreto, que sus neuronas presentaban mayores y más densas espinas dendríticas en las espinas es donde se producen la mayoría de las sinapsis que las de alrededor. En experimentos de condicionamiento auditivo se observó directamente la morfología neuronal, observándose que las neuronas de la corteza de asociación frontal y de la corteza motora experimentaban una disminución del número de espinas, mientras que las de la corteza auditiva experimentaban lo contrario.

Sin embargo, como hemos visto, estos estudios de la amígdala y del cerebro de vertebrados superiores resultan muy limitados, puesto que no se pueden seguir las sinapsis y en general solo pueden acceder a los animales post mortem, con lo que los detalles del proceso resultan muy difíciles de revelar.

Dempsey y colegas, autores del estudio, buscaron un objeto de estudio más accesible, trabajando con larvas del pez cebra, cuyo palio, la estructura anatómica, funcional y fisiológicamente homóloga de la amígdala, tiene una posición superficial, y contando con la ventaja de que los tejidos que lo cubren son transparentes. Utilizaron una microscopía especial y un software de gestión de datos para el caso, con lo que pudieron seguir la evolución de la formación y pérdida de sinapsis en la formación de la memoria asociativa.

Los experimentos constaban de tres fases: 1 habituación al estímulo condicionado una luz led, en 20 rondas; 2 exposición al estímulo condicionado y al incondicionado calentamiento por un laser en el infrarrojo cercano; las larvas reaccionan con movimientos de la cola al calor durante otras 20 rondas; y 3 exposición solo al estímulo condicionado 5 rondas. Se sometió a los peces de cuyo palio se tomaron imágenes a otra fase, repitiendo el régimen de entrenamiento durante 10 rondas, para soslayar la posible extinción. Al mismo tiempo, se sometió a los controles, bien solo al estímulo condicionado, bien al incondicionado o bien a ningún estímulo. Después de clasificar las larvas según el número de respuestas condicionadas, según que respondieran todas las veces L, tres o cuatro PL o ninguna NL, se utilizaron en los análisis de sinapsis los que respondieron a entre dos y cinco respuestas de cinco.

Los detalles del experimento y de la obtención de imágenes, que son bastante complejos. pueden consultarse en el artículo citado. Aquí me limitaré a comentar los resultados. Se monitoreó mediante la detección de un enzima marcador la actividad de las regiones del palio, observándose en los peces L un marcado enriquecimiento en ese marcador en una región anterolateral discreta de esa estructura después de exponerlos al estímulo condicionado. Se visualizaron sinapsis excitatorias individuales, a diferencia de lo que sucedía en los peces NL o en los controles. en los peces que habían respondido al condicionamiento clásico. Tras constatar mediante imágenes la detección de un marcador que se había producido un cambio en el patrón de actividad del palio, lo que se interpretaba como señal de formación de memoria asociativa, se visualizaron sinapsis excitatorias en el palio mediante una sonda que se une con alta afinidad y especificidad a un componente postsináptico de las sinapsis excitatorias y un marcador de fuerza sináptica.

En las larvas L se observó claramente, respecto a las sinapsis, un área de ganancia frente a una de pérdida. En los controles no se observó tal diferenciación, mientras que en las larvas PL la diferencia fue menos conspicua que en las L. Mediante un procedimiento ingenioso los autores descartaron que esas observaciones reflejasen cambios en la fuerza sináptica en vez de pérdidas o ganancias de sinapsis. Con eso queda probado que el condicionamento clásico produce una memoria asociativa por ganancia y pérdida de sinapsis.

Esto aclara el mecanismo subyacente al condicionamiento clásico en los animales se puede suponer que en los otros animales y no solo en vertebrados funciona del mismo modo, pero deja en el aire una cuestión intrigante y que a mi me parece aún más interesante. Vimos en La ameba de Pavlov que las amebas también tienen capacidad de aprendizaje por condicionamiento, pese a que, siendo organismos unicelulares, no tienen cerebro ni sistema nervioso. ¿Cómo se produce en ellas la memoria asociativa?

Abril de 2022