Bases neuroanatómicas del aprendizaje y la memoria

Transcripción

1 Editorial UOC 63 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... Capítulo II Bases neuroanatómicas del aprendizaje y la memoria Elena Muñoz Marrón, Daniel Adrover Roig, Ignacio Sánchez-Cubillo, Rubén Miranda y José Antonio Periáñez Morales Objetivos 1. Distinguir los sistemas neurales responsables de la memoria implícita y explícita. 2. Conocer el sustrato neural de los procesos de aprendizaje no asociativo y del priming. 3. Conocer el sustrato neural de los procesos del condicionamiento clásico y el condicionamiento instrumental. 4. Aprender los procesos neurobiológicos involucrados en la memoria procedimental y la formación de hábitos. 5.. Aprender el papel del lóbulo temporal medial en la formación de nuevos recuerdos. 6. Conocer los diferentes sistemas neuroanatómicos implicados en la memoria episódica y semántica. 7. Estudiar la implicación de la corteza prefrontal en la dimensión temporal de la memoria. 1. Introducción La investigación del aprendizaje y la memoria desde la neurociencia cognitiva ha revelado la existencia de múltiples sistemas, que se pueden dividir por categorías funcionales (por ejemplo, declarativa frente a procedimental), por sede neural (dependiente o no dependiente del hipocampo) o según la adopción de criterios temporales (inmediata, a corto plazo y a largo plazo). En la actualidad sabemos que diferentes regiones cerebrales juegan un papel diferencial en diferentes tipos de memoria y aprendizaje y en diferentes estadios del proceso. Por ejemplo, el sistema neural del lóbulo temporal medial compuesto por la corteza entorrinal, perirrinal, parahipocampal e hipocampo es crítico para la 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 63 07/11/12 10:48

2 Editorial UOC 64 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje Figura 1. Clasificación integradora del aprendizaje y la memoria y las principales áreas cerebrales implicadas en dichos procesos. APRENDIZAJE Y MEMORIA Memoria inmediata Memoria perceptiva Memoria a corto plazo Memoria de trabajo Memoria a largo plazo Memoria y aprendizaje explícito Memoria y aprendizaje implícito Espacial Episódico Semántico Procedimental Priming Ap. asociativo Habituación y sensibilización Vías reflejas Hipocampo (lóbulo temporal medial) Corteza cerebral Corteza cerebral Estriado Cerebelo Amígdala Cerebelo Estriado 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 64 07/11/12 10:48

3 Editorial UOC 65 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... codificación y la consolidación de la información accesible a la conciencia y que, por lo tanto, puede explicitarse. Sin embargo, no es en este sistema dónde se almacena permanentemente el aprendizaje y tampoco parece ser necesario para la codificación y la consolidación de otro tipo de memorias, como por ejemplo, el conocimiento que tenemos de cómo se conduce un coche. Tal como hemos comentado en capítulos anteriores, es posible dividir los sistemas de aprendizaje y memoria teniendo en cuenta diferentes perspectivas, que hemos intentado aunar en una única clasificación integradora. En la figura 1 podéis ver las principales áreas cerebrales implicadas en los diferentes aprendizajes y memorias. 2. Aprendizaje y memoria implícita El aprendizaje implícito constituye una categoría muy heterogénea dentro de la que se incluyen diferentes formas de aprendizaje, todas ellas independientes de la conciencia y de la integridad del lóbulo temporal medial (área fundamental para la memoria explícita como veremos más adelante). Por lo tanto, este aprendizaje se apoya en estructuras y circuitos cerebrales diferentes a los que subyacen a la memoria explícita (y más antiguos filogenéticamente hablando), por lo que el daño en las estructuras relevantes para la memoria declarativa (hipocampo, corteza parahipocámpica, etc.) deja intacta la capacidad de aprender de modo inconsciente Aprendizaje no asociativo: habituación y sensibilización Gran parte de nuestro conocimiento sobre los mecanismos fisiológicos implicados en la formación de la habituación y sensibilización deriva de experimentos realizados sobre el caracol marino Aplysia californica. La elección de este invertebrado radica en la simplicidad de su sistema nervioso, ya que apenas cuenta con neuronas centrales y de gran tamaño, lo que facilita la tarea de estudiar células individuales y seguir sus modificaciones durante el curso de la adquisición de nuevos aprendizajes. El sistema más estudiado es el reflejo de retirada de la branquia, que puede modificarse por diferentes formas de aprendizaje implícito no asociativo como la sensibilización o asociativo como el condicionamiento clásico. Tal como puede verse en la figura 2, en la Aplysia el órgano respiratorio (branquia) está conectado a un sifón (que expulsa el exceso de agua marina) por un sencillo circuito que impli- 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 65 07/11/12 10:48

4 Editorial UOC 66 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje Figura 2. Representación gráfica de la Aplysia califórnica y el reflejo de retirada de la branquia. Sifón Manto Aplysia californica Cola Branquia Interneurona SIFÓN BRANQUIA Neurona Sensorial Neurona Motora Estimulación Contracción ca neuronas sensoriales que intervienen en procesar la estimulación del sifón y conectan con interneuronas que hacen de estación de paso para conducir la información sensitiva hasta las motoneuronas que controlan el movimiento de la branquia. Una breve estimulación táctil del sifón provoca la retracción refleja de la branquia. Si se presenta de forma repetida el mismo estímulo, la respuesta de retirada de la branquia disminuye, produciéndose habituación. Por otro lado, el reflejo de retirada de la branquia puede volverse más intenso por un proceso de sensibilización. Siempre que se experimenta que un estímulo es nocivo se produce un aumento de las respuestas reflejas defensivas, que puede generalizarse a otros estímulos inocuos o igualmente nocivos. Así, por ejemplo, basta con aplicar una descarga eléctrica en la cola de Aplysia, emparejada con una estimulación no nociva y moderada del sifón, para observar un incremento en la respuesta de contracción de la branquia que aparecerá ante una repetición de la estimulación no nociva del sifón. Tanto el aprendizaje por habituación como por sensibilización se pueden prolongar en el tiempo durante varios minutos e incluso hasta varios días y semanas. 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 66 07/11/12 10:48

5 Editorial UOC 67 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... Los mecanismos fisiológicos de la habituación y sensibilización en la Aplysia fueron estudiados por Eric Kandel (premio Nobel de Fisiología o Medicina en el año 2000, junto a Arvid Carlsson y Paul Greengard). Por una parte, la habituación se asocia a una depresión de la actividad presináptica, e implica una reducción en la liberación de neurotransmisores. Una breve estimulación de las neuronas sensitivas del sifón en la Aplysia produce potenciales postsinápticos excitatorios en las interneuronas y motoneuronas que controlan la actividad muscular de la branquia, ocasionando su contracción. Con la estimulación repetida del sifón se reduce la entrada de Ca 2+ en los terminales presinápticos de las neuronas sensoriales. Dado que el Ca 2+ actúa como señal para desencadenar el proceso de exocitosis, la disminución de la concentración intracelular de Ca 2+ produce un decremento en la liberación de neurotransmisor, hecho que explicaría la reducción en la respuesta de retirada de la branquia (figura 3). Por su parte, la sensibilización se asocia a un aumento de la transmisión sináptica por un mecanismo de facilitación heterosináptica (véase nota al pie). La estimulación aversiva de la cola de Aplysia activa un grupo de neuronas sensoriales que conectan con interneuronas serotoninérgicas facilitadoras de la actividad de las neuronas sen- Figura 3. Representación gráfica del proceso fisiológico de habituación. Neurona sensorial SIFÓN BRANQUIA Neurona motora Reflejo defensivo de contracción Neurona sensorial PA Neurona sensorial PA Ca 2+ Ca 2+ Habituación Neurona motora Neurona motora 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 67 07/11/12 10:48

6 Editorial UOC 68 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje soriales del sifón, las cuales se hallan conectadas a las motoneuronas que regulan la contracción de la branquia. El incremento de la liberación de serotonina en las sinapsis axo-axónicas produce un aumento en la concentración del segundo mensajero AMP cíclico (AMPc) en las neuronas 1 sensoriales del sifón. Entre los diversos efectos de la actividad fosforilante del AMPc, se encuentra el cierre de canales de K + que favorece la retención de iones K + en el terminal presináptico aumentando la duración del potencial de acción. Finalmente, con el aumento del potencial de acción, se prolonga la apertura de los canales de Ca 2+ provocando un incremento de la concentración de Ca 2+ intracelular, lo que facilita la liberación del neurotransmisor (figura 4). Los investigadores Craig Bailey y Mary Chen demostraron que tanto la habituación como la sensibilización se hallan asociados a cambios en la densidad sináptica. Figura 4. Representación gráfica del proceso fisiológico de sensibilización. Neurona sensorial SIFÓN Sensibilización a corto plazo COLA Neurona sensorial Interneurona Neurona motora BRANQUIA Nucleo Neurona sensorial Genes de expresión temprana y tardía Interneurona Interneurona MAPK CREB C/EBP + FA Neurona sensorial C/EBP Receptors de serotonina Ubitiquin hidrolasa Ca 2+ Proteïna G ATP PKA AMPc Adelinato ciclasa AMPc ATP Proteinas implicadas en crecimiento sináptico K + K+ PKA Ca 2+ Memoria a largo plazo Neurona motora Neurona motora 1. La facilitación heterosináptica implica, por un lado, un aumento de la fuerza sináptica o fortalecimiento sináptico (facilitación) y, por otro lado, que el aumento en la respuesta a la excitación de una vía depende de la estimulación de una vía diferente (heterosináptica). 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 68 07/11/12 10:48

7 Editorial UOC 69 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... La habituación a largo plazo se relaciona con disminución del número de contactos sinápticos entre las células sensoriales y las motoneuronas, hecho que demuestra que la depresión o ausencia de la función sináptica puede determinar una perdida selectiva de sinapsis. Por el contrario, la sensibilización a largo plazo está relacionada a un incremento del número de sinapsis. Ello sugiere que aumentos en la respuesta a la estimulación sináptica pueden estar determinados por la existencia de una mayor densidad de contactos sinápticos. En los siguientes enlaces se explican con detalle el estudio del aprendizaje y la memoria con la Aplysia y un ejemplo de aprendizaje no asociativo (habituación) en roedores Aprendizaje y memoria perceptiva: priming El aprendizaje por priming genera cambios neurales en la neocorteza, siendo independiente del lóbulo temporal medial. La intervención de diferentes áreas corticales en el priming depende del tipo de estímulos con los que se esté generando, tal y como ponen de manifiesto diferentes investigaciones llevadas a cabo con diferentes tipos de priming y con distinto material de estimulación. Estudios realizados con técnicas de neuroimagen han mostrado que el priming produce bien un aumento (ante estímulos nuevos) o bien una disminución (ante estímulos familiares) de la actividad neural de la región implicada en el procesamiento de los estímulos presentados. Esta disminución de la actividad cerebral ante estímulos familiares puede deberse al hecho de que la nueva entrada de información enriquece la representación creada en la neocorteza la primera vez que se procesó la información, lo que haría que se activara únicamente un grupo selectivo de neuronas más reducido, pero más eficaz funcionalmente. Por el contrario, cuando no existe una representación previa de la información entrante en la neocorteza, la actividad neural en la región implicada en el procesamiento es más alta, ya que no se produce una activación selectiva eficaz. Así, en una tarea de identificación de palabras a partir de la presentación de un fragmento de las mismas, se ha observado que son las regiones cerebrales posteriores las que se encuentran más implicadas. Más concretamente, se produce una activación occipitotemporal cuando los estímulos son presentados visualmente e inferotemporal si la presentación es auditiva. La activación cerebral en el priming semántico involucra regiones diferentes a las del priming perceptivo, estando en el primero más implicadas regiones anterio- 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 69 07/11/12 10:48

8 Editorial UOC 70 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje res de la corteza y en el segundo áreas más posteriores. En una tarea de clasificación semántica en la que se deben clasificar los estímulos en función de su relación semántica con otros, se ha comprobado que se produce una activación de la corteza temporal anterior izquierda. En tareas de carácter más conceptual (que reflejan lo que algunos autores denominan priming conceptual), en las que se deben juzgar aspectos conceptuales del estímulo, tales como decidir si una palabra es abstracta o no, es la corteza prefrontal inferior izquierda la que tiene una mayor implicación. En esta región, al igual que en las áreas implicadas en el priming perceptivo, se observa el patrón de activación-desactivación descrito anteriormente. La explicación de que el priming perceptual esté controlado por las áreas posteriores de la corteza, mientras que el priming semántico tenga una mayor implicación anterior, es una visión simplificada de un proceso tan complejo como el priming, por lo que la investigación continúa en esta área Aprendizaje asociativo: condicionamiento clásico y condicionamiento instrumental Uno de los diseños experimentales más utilizados en el estudio de las bases neuroales del condicionamiento clásico es el condicionamiento palpebral. En este tipo de condicionamiento el EI es una ráfaga de aire dirigida al ojo, lo que hace que se produzca la respuesta automática de parpadeo del sujeto (RI). Tal y como vimos en el capítulo «Bases cognitivas del aprendizaje y la memoria», el EI puede presentarse después de la aparición del EC (un sonido) (condicionamiento de demora) o tras la finalización del EC (condicionamiento de huella). La distinción entre estos dos tipos de procedimientos no es irrelevante, ya que son diferentes áreas cerebrales las que subyacen en ambos procesos. Tanto los estudios experimentales lesionales como las técnicas de neuroimagen han puesto de manifiesto que la estructura principal en el condicionamiento de demora es el cerebelo, mientras que en el condicionamiento de huella además de la implicación del cerebelo es fundamental la participación de la formación hipocampal, que sustenta la relación temporal entre el EC y el EI. La implicación del hipocampo en el condicionamiento de huella parece explicarse por el hecho de que es necesario que exista una huella mnémica del sonido (EC), ya que cuando se presenta el EI, el sonido (EC) ya ha desaparecido, mientras que en el caso del condicionamiento de demora ambos estímulos están presentes al mismo tiempo. Diferentes estructuras cerebrales sustentan el condicionamiento instrumental, siendo el cuerpo estriado una de las más relevantes. Tanto la asociación entre la con- 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 70 07/11/12 10:49

9 Editorial UOC 71 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... ducta y sus consecuencias como el establecimiento de la relación causal entre ambas depende de la actividad del estriado dorsomedial (que incluye el núcleo caudado y el putamen). Además de estas estructuras, también están implicados en este tipo de aprendizaje los circuitos córtico-estriado-tálamo-corticales, dentro de los cuales la corteza prefrontal juega un papel muy relevante. Esta implicación prefrontal es lógica, ya que es precisamente la corteza prefrontal la que orienta y dirige nuestra conducta hacia los objetivos. En el caso del condicionamiento instrumental, la función de la corteza prefrontal facilita la automatización de nuestras acciones en función de las consecuencias que ya hemos vivido, de modo que al encontrarnos de nuevo ante la situación vivida o ante una situación similar no agotamos recursos razonando sobre cómo deberíamos actuar, sino que ya tenemos una respuesta automatizada ante ella. El condicionamiento del miedo constituye un tipo paradigmático de condicionamiento, cuya adquisición y expresión es altamente dependiente de la amígdala. Este tipo de aprendizaje ha permitido profundizar en el conocimiento de las bases neurales del aprendizaje por condicionamiento Aprendizaje y memoria procedimental Para llevar a cabo cualquier acto motor es necesario, en primer lugar, elaborar un programa motor, y es el córtex prefrontal quien realiza esta tarea contando con la información que le proporcionan las diferentes áreas asociativas corticales. Una vez desencadenado el acto motor, va recibiendo feedback acerca de la adecuación de su desarrollo, a partir del que puede ir corrigiendo los posibles errores, lo que conduce a la elaboración de conductas finas y bien articuladas conforme a las circunstancias contextuales. Dentro de las áreas cerebrales implicadas en el aprendizaje y la memoria procedimental las conexiones cortico-estrio-corticales y cortico-cerebelo-corticales juegan un papel determinante. Los ganglios basales están compuestos por diferentes elementos, de los cuales el núcleo caudado y el putamen forman el estriado (figura 5). El estriado es una estructura cerebral clave para el aprendizaje motor, puesto que recibe aferencias de la corteza frontal y parietal y posee aferencias en los núcleos del tálamo y en las áreas corticales implicadas en el movimiento. Además del estriado, el cerebelo es fundamental para el aprendizaje motor. Ambas estructuras son consideradas los centros moduladores del control motor; controlan y modulan la actividad motora que se inicia en la corteza facilitando los movimientos voluntarios desde su planificación hasta su terminación, pasando por la ejecución y coordinación. 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 71 07/11/12 10:49

10 Editorial UOC 72 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje Existe una gran evidencia empírica, tanto en animales como en humanos, de la implicación del estriado en la memoria procedimental, y por lo tanto en la formación de hábitos de comportamiento. En humanos, los estudios con pacientes con lesiones cerebrales son los que han proporcionado más información acerca de las funciones de las diferentes áreas cerebrales. Las enfermedades de Huntington y Parkinson aportan mucha información en este sentido. La primera afecta de modo especial a las neuronas del estriado, y las personas que la sufren muestran grandes dificultades a la hora de aprender conductas motoras asociadas a un estímulo, lo que pone de manifiesto la importancia de dicha estructura en el aprendizaje procedimental y en la adquisición de hábitos. Las lesiones que provocan alteraciones en la memoria procedimental (como las lesiones del estriado) suelen hacer que permanezca inalterada la memoria declarativa, lo que parece indicar que la memoria procedimental se apoya en circuitos cerebrales diferentes a los de la memoria explícita. La enfermedad de Parkinson es un trastorno neurodegenerativo crónico causado por la destrucción de las neuronas pigmentadas de la sustancia negra. Dicha destrucción provoca la perdida de células que sintetizan el neurotransmisor dopamina, crucial tanto para el control del movimiento como en los sistemas de aprendizaje procedimental y los sistemas de refuerzo. Por su parte, el cerebelo, estructura situada en la fosa posterior del cráneo, desempeña un papel crítico en el aprendizaje y la ejecución de hábitos motores. Su función principal es la coordinación del movimiento y el aprendizaje motor. Estudios con animales han demostrado que tras el entrenamiento para desarrollar habilidades motoras complejas se evidencian modificaciones cerebelosas de carácter morfológico, hallazgos que están en la misma línea que losa resultados encontrados con técnicas de neuroimagen funcional que ponen de manifiesto modificaciones de la actividad del cerebelo durante el aprendizaje de destrezas motoras (por ejemplo, tareas de dibujo, aprendizaje de secuencias motoras, etc.). Igual que en el caso de las lesiones en los ganglios basales, pacientes con lesiones cerebelosas muestran un marcado deterioro en el aprendizaje procedimental. Estos dos circuitos, el que involucra a los ganglios basales y el circuito cerebeloso, subyacen tanto en el aprendizaje como en el recuerdo de las destrezas motoras, aunque no tienen la misma implicación durante todo el proceso de adquisición y mejora de una nueva destreza. Cuando aprendemos, las áreas cerebrales que se activan son el cerebelo, el córtex cingulado anterior y las áreas premotoras, pero su participación es menor según se va mejorando y automatizando la ejecución de la tarea. Por el contrario la activación de los ganglios basales, el área motora suplementaria y la corteza prefrontal ventrolateral permanece a lo largo de todo el proceso de aprendizaje, estando involucradas en la adaptación motora. 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 72 07/11/12 10:49

11 Editorial UOC 73 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... Tal y como se pone de manifiesto en muchas ocasiones en nuestra vida diaria, los aprendizajes procedimentales son relativamente fáciles de automatizar. El proceso de automatización progresiva va ligado a una disminución en la participación de áreas corticales, especialmente prefrontales, dando paso a un mayor control subcortical de los procedimientos. Por ejemplo, cuando estamos aprendiendo a conducir, la corteza prefrontal evalúa constantemente nuestra ejecución a fin de poder ir adaptándola y mejorándola en función de los errores detectados. Según se va consolidando nuestro aprendizaje, esta área cerebral irá disminuyendo su activación, dejando que el cerebelo y los ganglios basales tomen un papel más activo, sin tanta supervisión cortical. 3. Aprendizaje y memoria explícita La memoria explícita se deriva del aprendizaje de gran cantidad de información de muy diversa índole, que puede ser adquirida de manera muy rápida, incluso a partir de una única experiencia, sobre todo si ésta tiene una alta carga emocional, o de forma gradual. La representación de la información de la memoria explícita es abstracta y posee un alto grado de flexibilidad, por lo que puede expresarse en situaciones y maneras diferentes a como fue aprendida. Desde que Tulving estableciera por primera vez la distinción entre memoria episódica y memoria semántica hace cuatro décadas, la evidencia experimental de la existencia de estos dos tipos de memoria explícita no ha hecho más que aumentar Memoria relacional dependiente del hipocampo El lóbulo temporal medial es la estructura cerebral que subyace en el aprendizaje explícito, y este sistema también interviene en el aprendizaje espacial, es decir, el aprendizaje de las relaciones entre los diferentes estímulos que se encuentran un contexto espacial determinado. Por esto se ha propuesto un nuevo marco explicativo dentro del estudio de la memoria: la memoria relacional dependiente del hipocampo. Bajo esta nomenclatura se pueden incluir tanto las memorias basadas en el establecimiento de relaciones entre acontecimientos temporalmente relacionados (memoria episódica), entre conceptos (memoria semántica) y entre elementos de un contexto espacial (memoria espacial). El hipocampo es la estructura cerebral más directamente relacionada con el aprendizaje y la memoria explícita. Esta estructura, localizada en el polo temporal 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 73 07/11/12 10:49

12 Editorial UOC 74 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje medial, juega un papel determinante en la adquisición de nueva información, interviene tanto en la codificación como en la consolidación de nuevos contenidos y posibilita la transferencia de dicho material de la memoria a corto plazo a la memoria a largo plazo. Por lo tanto, sin la intervención del hipocampo, el almacenamiento a largo plazo de la información es improbable. Cabe recordar que, como hemos señalado al inicio del capítulo, el hipocampo no funciona de manera aislada, sino que éste forma parte del sistema neural del lóbulo temporal medial compuesto por la corteza entorrinal, perirrinal, parahipocampal y el hipocampo. En las figuras 5 y 6 veréis dos ilustraciones de las estructuras implicadas en el aprendizaje y la memoria explícita en diferentes cortes cerebrales. Figuras 5 y 6. Estructuras cerebrales implicadas en el aprendizaje y la memoria explícita. Fòrnix Cuerpo calloso Núcleo dorso-medial del tálamo Núcleo anterior del tálamo Cuerpo mamilar Núcleo amigdalino Hipocampo Fímbria del fórnix Circunvolución parahipocámpica Fórnix Via colateral de Schaffer Fibras musgosas Giro dentado Corteza perirrinal y parahipocampal Subiculum Corteza entorrinal 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 74 07/11/12 10:49

13 Editorial UOC 75 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... Para comprender el funcionamiento del proceso de memoria es necesario poseer una visión global de la función de cada una de estas estructuras y las relaciones que existen entre ellas (figura 7). El proceso de adquisición y consolidación de la memoria comienza con el registro y el procesamiento de los estímulos que nos llegan del exterior, en una o más de las áreas de asociación heteromodal de la corteza cerebral, las cuales codifican e integran información de todas las modalidades sensoriales. La información aquí sintetizada se envía a la corteza parahipocampal y perirrinal, a través de rutas descendentes córtico-hipocampales, llegando posteriormente a la corteza entorrinal, la puerta de entrada al hipocampo más importante. Desde aquí se proyecta, a través de la vía perforante, a la circunvolución dentada (o giro dentado, GD), para llegar finalmente al hipocampo. Además, el hipocampo también recibe información procedente de la amígdala, la cual posee un papel modulador sobre el aprendizaje, potenciando los aprendizajes declarativos de los estímulos y las situaciones con carga emocional. Una vez que el proceso de codificación llevado a cabo por el hipocampo ha finalizado, la información es enviada de nuevo a la corteza cerebral. Son el campo CA1 del hipocampo y el subículo las principales estructuras encargadas de generar dichas aferencias. Por un lado, envían la información a la corteza a través de la corteza entorrinal, desde donde se dirige, en un viaje de vuelta, a la corteza parahipocampal y la corteza perirrinal, y finaliza en las áreas de asociación polimodal de la corteza cerebral en las que se originó el proceso. Además, desde la formación hipocámpica también se envía información, a través del fórnix, a los cuerpos mamilares del hipotálamo. Posteriormente, la información es remitida al tálamo poste- Figura 7. Esquema general del proceso de memoria, en el que se explicitan las estructuras cerebrales implicadas en el mismo y la relación entre ellas. Circunvolución dentada Áreas de asociación cortical Córtex parahipocámpico Córtex perirrinal Córtex entorrinal Hipocampo CA3 Hipocampo CA1 Cuerpos mamilares del hipotálamo Tálamo Subículo Áreas de asociación cortical 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 75 07/11/12 10:49

14 Editorial UOC 76 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje rior, desde donde viaja a las áreas de asociación de la corteza cerebral, para ser finalmente almacenada. Por lo tanto, es necesario hacer hincapié en la función que cumplen las estructuras temporales mediales, puesto que aunque resultan imprescindibles para la consolidación y el almacenamiento de la información a largo plazo, es en las regiones de la corteza de asociación, en las cuales la información se procesó por primera vez, en las que se almacenará de forma definitiva. Todas las estructuras estudiadas hasta ahora son fundamentales para la formación de nuevos conocimientos, pero el papel de cada una de ellas difiere tanto a nivel funcional como en importancia. Gracias al estudio de casos de pacientes con daño cerebral y a la investigación con técnicas modernas de neuroimagen ha sido posible profundizar en la función de cada una de las estructuras implicadas en el aprendizaje y la memoria. En cuanto a la primera aproximación, se ha comprobado que las lesiones que se limitan a una única estructura provocan una menor alteración que cuando la lesión compromete a dos o más áreas, siempre dependiendo de la gravedad de las lesiones y del área lesionada. Así, por ejemplo, las lesiones limitadas al hipocampo, aunque son suficientes para provocar graves alteraciones mnémicas, provocan alteraciones de menor gravedad que cuando el daño se extiende también a las estructuras parahipocámpicas. Entre los estudios realizados con pacientes con daño cerebral, el caso más paradigmático es el de un paciente conocido como H. M., que sufrió graves alteraciones de memoria tras una operación para tratar una epilepsia farmacoresistente. Con el fin de intentar poner freno a las severas crisis que sufría se propuso la resección quirúrgica de los lóbulos temporales mediales; dicha resección implicó la pérdida de aproximadamente dos tercios del hipocampo y la amígdala. La intervención quirúrgica tuvo su efecto positivo al reducir las crisis epilépticas, sin embargo como consecuencia de la lesión la memoria de H.M. resultó devastada. La evaluación neuropsicológica realizada por la Dra. Brenda Milner reveló un cuadro profundo de amnesia anterógrada. En el siguiente enlace puede verse un interesante reportaje sobre Brenda Milner y sus estudios sobre la memoria. Y La memoria a corto plazo de H. M. parecía preservada, sin embargo su memoria a largo plazo estaba muy deteriorada, si bien todavía mantenía recuerdos remotos previos a la intervención. H. M. era incapaz de formar nuevos recuerdos lo que le hacía vivir las experiencias de cada día como algo siempre novedoso. Sin embargo, a pesar de sus dificultades de aprendizaje, era capaz de adquirir nuevos hábitos y 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 76 07/11/12 10:49

15 Editorial UOC 77 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... mejorar en tareas que implicaban destrezas manuales, perceptivas o cognitivas. Al margen de sus problemas de memoria, otras funciones cognitivas como la inteligencia, la percepción, la motivación o la personalidad se mantuvieron intactas. Como resultado de esta evaluación y la comparación con otros pacientes con lesiones similares, se pudieron establecer ciertos principios básicos de la organización de la memoria. Primero, la memoria es una función cerebral sustentada por circuitos cerebrales diferentes a los implicados en procesos cognitivos como la percepción, la motivación o la personalidad. Segundo, la información puede ser mantenida en memoria a corto plazo antes de convertirse en memoria a largo plazo. Tercero, el lóbulo temporal medial no es el repositorio último de las memorias a largo plazo. Finalmente, se llegaría a disociar una memoria para hechos y sucesos (memoria declarativa) de una memoria para hábitos y destrezas (memoria implícita), independiente de la función del lóbulo temporal medial. En un intento de esclarecer el sustrato neuroanatómico específico de la memoria se empezaron a realizar importantes trabajos en el laboratorio para encontrar un modelo animal apropiado que pudiera explicar la amnesia en humanos. Tradicionalmente, se consideraba que el responsable de las alteraciones mnémicas era el hipocampo, pero a partir de casos como el de H. M. se observó que las lesiones limitadas al hipocampo únicamente afectaban al almacenamiento de recuerdos nuevos a largo plazo. De ello se dedujo que el hipocampo tiene un papel fundamental en el almacenamiento inicial de la memoria a largo plazo, pero esta implicación es temporal y se produce al inicio del aprendizaje, ya que el almacenamiento de la información se transfiere posteriormente a otras regiones corticales. Así, los pacientes con una lesión hipocampal pueden, en general, recordar o aprender sucesos recientes, aunque son incapaces de formar nuevos recuerdos a largo plazo. Por lo tanto, parece que el problema es que no son capaces de transferir la información desde los sistemas de memoria a corto plazo a los sistemas mnémicos a largo plazo, lo que afecta a la consolidación de la memoria. Por este motivo, los recuerdos que han sido almacenados con anterioridad no se pierden cuando hay una lesión hipocámpica, es decir, no se produce amnesia retrógrada, lo que pone de manifiesto que el hipocampo no es un almacén permanente de información. Hoy día parece existir un acuerdo entre la comunidad científica acerca de las estructuras necesarias para la formación de la memoria explícita a largo plazo, que 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 77 07/11/12 10:49

16 Editorial UOC 78 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje abarcan la formación hipocampal (que incluye el giro dentado, el subículo, la fimbria o fórnix y el hipocampo propiamente dicho) y el giro parahipocámpico (formado por la corteza entorrinal, la corteza perirrinal y la corteza parahipocámpica) (figura 8). Figura 8. Estructuras cerebrales implicadas en el aprendizaje y la memoria explícita a largo plazo. Corteza entorrinal Subículo CA1 CA2 CA3 CA4 Giro dentado Fórnix Con respecto al papel que juega la corteza cerebral en el proceso de aprendizaje, es fundamental conocer que los recuerdos surgen de la actividad de redes neuronales ampliamente distribuidas por toda la corteza cerebral. Estas redes forman las 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 78 07/11/12 10:49

17 Editorial UOC 79 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... denominadas huellas mnémicas y se forman por la estimulación conjunta de diferentes neuronas a partir de un mismo acontecimiento (siguiendo el principio de Hebb), de manera que quedan interconectadas a través de sinapsis formando una red. Así, una neurona o un grupo de ellas puede formar parte de diferentes redes neuronales y, por lo tanto, puede estar implicada en diferentes recuerdos, lo que facilita que seamos capaces de cambiar de un recuerdo a otro de manera ágil, ya sea de manera consciente o inconsciente. Por lo tanto, aunque es en el lóbulo temporal medial donde se llevan a cabo los procesos de transferencia de la información para su posterior almacenamiento a largo plazo, es en la corteza cerebral donde se produce el almacenamiento permanente. Esta transferencia de información se hace de manera relativamente lenta, lo que permite que los datos nuevos se asimilen con la información ya existente. Puesto que las áreas de asociación corticales constituyen los almacenes de la memoria explícita a largo plazo, una lesión en estas áreas puede producir una alteración del conocimiento explícito adquirido antes del daño. Por este motivo, los pacientes con daño en las áreas de asociación suelen presentar dificultades a la hora de reconocer objetos cotidianos, lugares familiares o rostros de personas conocidas, entre otras alteraciones. En este punto, es importante señalar las diversas funciones en las que se centran las diferentes regiones de la corteza cerebral y su relación con los procesos mnémicos. La corteza posterior o postrolándica se halla principalmente implicada en el procesamiento perceptivo, y juega un papel determinante en el almacenamiento de los recuerdos que se adquieren por cualquiera de nuestros sentidos. Por su parte, la corteza frontal o prerolándica tiene entre otras funciones, como el procesamiento y la representación de acciones motoras, el razonamiento y la producción del lenguaje. La corteza temporal (excluyendo las regiones mediales estudiadas anteriormente) parece ser determinante en el mantenimiento de la memoria a largo plazo, puesto que las lesiones que la comprometen se manifiestan con amnesia retrógrada. Asimismo, existe especialización hemisférica, estando el hemisferio derecho más relacionado con material no verbal y el izquierdo con material de carácter verbal. Además de su implicación en el almacenamiento del conocimiento semántico, la corteza parietal, sobre todo del hemisferio derecho, parece estar implicado en el recuerdo de la disposición espacial de objetos y personas. Con respecto al lóbulo frontal, el área más estudiada y mejor conocida funcionalmente es la corteza prefrontal, que está especializada en el mantenimiento tem- 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 79 07/11/12 10:49

18 Editorial UOC 80 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje poral de la información explícita a lo largo del proceso de establecimiento y consolidación de la memoria, así como en la discriminación y organización temporal de los recuerdos. Los pacientes con patología prefrontal no muestran un síndrome amnésico clásico, si no que presentan una dificultad o incapacidad para manejar temporalmente los recuerdos de manera eficaz, para ordenarlos cronológicamente y para recordar cómo y cuándo adquirieron una determinada información (amnesia de la fuente). Otra de las implicaciones de estas lesiones es la dificultad que pueden tener estos pacientes a la hora de realizar tareas o actividades que impliquen una secuencia de respuestas en un orden determinado. Además, la corteza prefrontal resulta crucial para la memoria de trabajo, que estudiaremos en apartados posteriores del presente capítulo Aprendizaje y memoria episódica y semántica El conocimiento semántico está representado en redes neuronales que implican a toda la corteza cerebral. Es de nuevo a partir del estudio de casos de sujetos con alteraciones en la memoria semántica y con las modernas técnicas de neuroimagen como se han podido identificar las áreas cerebrales más implicadas en la memoria semántica. Gracias a estos estudios se han identificado diferentes áreas corticales con papeles diferentes en el procesamiento de información de categorías específicas. Por ejemplo, en estudios con pacientes afásicos se ha constatado que muchos presentan dificultades a la hora de nombrar colores, partes del cuerpo, comidas o diferentes utensilios. Estas observaciones llevaron a la hipótesis de que diferentes áreas corticales representan distintas categorías semánticas, una idea que fue sistemáticamente investigada por Elisabeth K. Warrington y Tim Shallice, ya en En estudios más recientes, Antonio Damasio y sus colaboradores (1996) estudiaron a pacientes afásicos y sujetos sanos con técnicas de neuroimagen para profundizar en esta idea. Estos autores encontraron que los pacientes que tenían problemas a la hora de nombrar personas mostraban alteraciones en el polo temporal izquierdo, mientras que en aquellos cuya dificultad residía en nombrar animales la lesión se encontraba en la corteza temporal anteroinferior izquierda. Además, aquellas personas con dificultad a la hora de nombrar herramientas presentaban daño en la corteza parietal y temporal posterior izquierda (figura 9). Estos resultados fueron corroborados con estudios de neuroimagen en sujetos sanos, que mostraron activación en las mismas áreas al nombrar ítems de las diferentes categorías semánticas. 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 80 07/11/12 10:49

19 Editorial UOC 81 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... Figura 9. Alteración cortical de pacientes con alteraciones en la a) denominación de personas, b) denominación de animales, c) denominación de herramientas y d) en las tres categorías. a) b) c) d) Adaptada de Eichenbaum (2008). «Learning and memory». En otro estudio dedicado a conocer las áreas específicas de la corteza implicadas en determinada información semántica se encontró que el área encargada del procesamiento de la información de las partes del cuerpo es la corteza occipital lateral derecha. Esta área se mostraba más activa cuando los sujetos veían o dibujaban partes del cuerpo que cuando los estímulos eran objetos inanimados o partes de éstos. Esta especialización funcional implica que existe una amplia red cortical que participa en el procesamiento de la información que adquirimos a lo largo de nuestra vida. Además, el grupo de Nancy Kanwisher ha identificado un área en la corteza temporal ventral (el giro fusiforme) que se activa con el procesamiento de caras, que es precisamente el área que tienen dañada los pacientes que padecen prosopagnosia. La prosopagnosia implica la imposibilidad de reconocer rostros, tanto el 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 81 07/11/12 10:49

20 Editorial UOC 82 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje propio como el de los demás. Por ello, suele ser causa de la falta de reconocimiento de las personas que conocemos. El hipocampo, por su parte, juega un papel esencial en el proceso de aprendizaje semántico, ya que permite la integración de la información almacenada en diferentes redes semánticas, lo que permite que el conocimiento que se va adquiriendo a lo largo de diferentes experiencias pueda ser empleado tanto para solucionar problemas nuevos como para afrontar nuevas situaciones. En conclusión, parece que la corteza cerebral puede mediar en la adquisición del conocimiento semántico, mientras que el hipocampo lleva a cabo un procesamiento adicional que contribuye a la construcción de redes de memoria cortical, estableciendo relaciones entre las diferentes huellas mnémicas de acuerdo a sus características comunes. Por lo tanto, es posible la existencia de memoria semántica sin la intervención del hipocampo, hecho que se ha podido constatar en personas con graves amnesias debidas a lesiones hipocampales que son capaces de adquirir algunos conocimientos semánticos. 4. Memoria de trabajo La implicación cerebral en la memoria de trabajo es muy extensa, ya que dicha función compromete diferentes áreas cerebrales, tanto anteriores como posteriores. Parece cada vez más claro que son las regiones posteriores las que se encargan del mantenimiento temporal de la información mientras que la manipulación de la memoria de trabajo es llevada a cabo por áreas anteriores. Además del interés suscitado por el conocimiento del sustrato neural en función del tipo de proceso llevado a cabo (mantenimiento o manipulación), el conocimiento de las áreas cerebrales implicadas en la memoria de trabajo en función del tipo de información ha constituido una importante fuente de investigación. Con el objetivo de facilitar la comprensión al lector, en el presente apartado se trata de forma separada la implicación de las áreas anteriores y posteriores del cerebro, y dentro de las segundas se aborda de manera diferenciada la memoria de trabajo verbal y visual Corteza prefrontal y memoria de trabajo La corteza prefrontal dorsolateral es la región que asume el control general sobre las operaciones de memoria de trabajo en todas las modalidades sensoriales, y su implicación ha sido demostrada tanto en estudios lesionales (en animales y en humanos) como en investigaciones realizadas con diversas técnicas de neuroimagen en sujetos sanos (figura 10). 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 82 07/11/12 10:49

21 Editorial UOC 83 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... Figura 10. Corteza prefrontal dorsolateral izquierda (áreas 9 y 46 de Brodmann, en verde y azul respectivamente) Córtex prefrontal dorso-lateral Imagen creada a partir del software libre Brain Voyager (Brain Voyager Tutor): En investigación con humanos sanos, uno de los paradigmas más empleados en el estudio de la memoria de trabajo es la tarea de respuesta demorada, en la que es necesario memorizar temporalmente una información determinada que permitirá responder adecuadamente más tarde. Gracias a la resolución espacial de las técnicas de neuroimagen modernas es posible distinguir la actividad cerebral a lo largo del proceso completo de memoria a corto plazo, es decir, durante la codificación de la información, el mantenimiento de la misma (periodo de demora, de lo que se encargaría la memoria de trabajo) y la respuesta dada por el sujeto. En varios estudios se ha encontrado actividad neural en diferentes regiones cerebrales durante el periodo de demora, entre las que parece de especial relevancia el córtex prefrontal dorsolateral, pero que se produce también en regiones cerebrales posteriores. Dicha actividad cerebral parece subyacer al mantenimiento activo de la información dentro de la memoria de trabajo, y parece prolongarse a lo largo de todo el periodo de demora, es decir, durante todo el tiempo que la memoria operativa está trabajando. El nivel de actividad cerebral durante este período aumenta cuando la cantidad de información que se debe manipular es abundante y, además, se correlaciona positivamente con el rendimiento en tareas de memoria de trabajo. 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 83 07/11/12 10:49

22 Editorial UOC 84 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje Entre los trabajos más relevantes es importante conocer los estudios realizados con primates de Joaquín M. Fuster y Gene Alexander, en los que debían realizar tareas de respuesta demorada. Sus hallazgos han sido corroborados posteriormente en humanos en estudios de neuroimagen funcional, en los que también se emplearon tareas de respuesta demorada. En ambos casos, se observó que es la región lateral de la corteza prefrontal la que se muestra una mayor activación durante el período de mantenimiento de la información en la memoria de trabajo, independientemente del tipo de material con el que se trabaje. Por otro lado, la investigación en pacientes con daño cerebral ha mostrado que los pacientes con daño prefrontal muestran un mejor rendimiento que los pacientes con lesiones temporales en tareas simples de memoria, tales como recordar una lista de palabras o de objetos presentados. Sin embargo, cuando deben realizar una tarea de memoria más compleja, en la que es necesario mantener cierta información activa, como en el caso de las tareas de respuesta demorada, los pacientes con lesiones frontales muestran un marcado deterioro, especialmente cuando durante el tiempo de espera existe algún distractor, ya que esto implica una mayor demanda de recursos Regiones cerebrales posteriores y memoria de trabajo Tal como hemos señalado anteriormente, la memoria de trabajo depende de una red neural que engloba diferentes regiones cerebrales, por lo que la corteza prefrontal no es la única región cerebral implicada en la memoria de trabajo. La corteza prefrontal funciona como un director de orquesta cognitivo, y tiene un papel fundamental en la organización de la información en curso de procesamiento; pero existen otras muchas estructuras que intervienen en este proceso, que son diferentes en función del tipo de información que se debe mantener y manipular. Las áreas cerebrales más activadas cuando trabajamos con material verbal implican regiones temporales, parietales y frontales, y suelen estar lateralizadas en el hemisferio izquierdo. En el caso de material visual, la implicación cortical implica tanto a regiones frontales como parietales, occipitales y temporales del hemisferio derecho e involucra regiones diferentes en el caso de la memoria espacial o memoria de objetos. La memoria de trabajo verbal ha sido profundamente estudiada debido a la importancia que posee para la comprensión y la producción del lenguaje, una capacidad esencial en el ser humano. El modelo propuesto por Baddeley (estudiado 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 84 07/11/12 10:49

23 Editorial UOC 85 Bases neuroanatómicas del aprendizaje... en el capítulo «Bases cognitivas del aprendizaje y la memoria») propone la existencia de un subsistema en la memoria de trabajo, denominado bucle fonológico, que se encargaría del mantenimiento y la manipulación de la información fonológica y articulatoria. El estudio de pacientes con lesiones cerebrales ha permitido conocer la base neuroanatómica de este mecanismo, mostrando la implicación de la corteza temporal superior izquierda (áreas 22, 39 y 40 de Brodmann, denominada área de Wernicke, en referencia a Karl Wernicke, quien estudió la relación entre este área y la comprensión del lenguaje, figura 11, panel izquierdo) en el almacenamiento fonológico y de la parte posterior del giro frontal inferior izquierdo, (área 44 de Brodmann) en la manipulación articulatoria (figura 11, panel derecho). Esta última región es conocida como área de Broca, en referencia a Paul Pierre Broca, médico anatomista francés del siglo xix que identificó el área como el centro del habla mediante el estudio de pacientes afásicos. Figura 11. Corteza parietal inferior izquierda, en marrón, (área de Wernicke, área 40 de Brodmann) y giro frontal inferior izquierdo, en azul, (área de Broca, área 44 de Brodmann), implicadas en el mantenimiento y la manipulación de la información fonológica. Área de Wernicke Área de Broca Por otro lado, son distintas las regiones cerebrales las que sustentan el mantenimiento y la manipulación de las propiedades gráficas del lenguaje. Gracias a estudios realizados con técnicas de neuroimagen funcional se ha llegado a la conclusión de que es la región temporal inferior izquierda (área 20 de Brodmann) la que sustenta esta actividad (figura 12). Por último, las propiedades semánticas del lenguaje son procesadas por regiones frontales y temporales, que incluyen la porción anterior del giro frontal inferior izquierdo (áreas 45 y 47 de Brodmann) (figura 13) y la corteza temporal lateral iz- 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 85 07/11/12 10:49

24 Editorial UOC 86 Fundamentos del aprendizaje y del lenguaje quierda (área 21 de Brodmann) (figura 13). Parece que el primero está más implicado en la manipulación de la información, mientras que el área temporal sustenta el almacenamiento de la misma. Figura 12. Área temporal inferior izquierda (área 20 de Brodmann), que sustenta la memoria de trabajo a nivel grafémico. Área temporal inferior Imagen creada a partir del software libre Brain Voyager (Brain Voyager Tutor): Figura 13. Giro frontal inferior izquierdo (en granate), cuya parte anterior está implicada en la memoria de trabajo semántica y corteza temporal lateral izquierda (en azul). Giro frontal inferior Córtex temporal lateral Imagen creada a partir de software libre: Brain Voyager (Brain Voyager Tutor): 02_FUNDAMENTOS CAST.indd 86 07/11/12 10:49