Neurobiología y evolución de la memoria a largo plazo

«Memory… is the diary that we all carry about with us» (Oscar Wilde, 1895).

La memoria es uno de los mecanismos cognitivos fundamentales para garantizar la supervivencia. Todo el tiempo estamos haciendo uso de ella, pues nos permite conducirnos con regularidad, en el día a día de nuestro entorno ecológico particular. Su estudio ocupa un lugar importante en la producción científica, y gracias a la investigación experimental en diferentes organismos modelo, hemos sido capaces de descubrir los mecanismos que la soportan. Inaugurando así, la posibilidad de comprender este fenómeno más allá de nuestra propia especie. A través de este artículo abordamos la evolución de la memoria a largo plazo -y su función adaptativa-, desde un prisma neurobiológico.

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Relevancia evolutiva y función adaptativa de la memoria

La memoria nos permite adquirir estrategias conductuales para garantizar la supervivencia y el éxito reproductivo de los organismos, pues es necesaria para la adaptación a las condiciones fluctuantes del ambiente. Su evolución data de cientos de millones de años, y se atribuyen capacidades de memoria a un organismo cuando existe una salida conductual adaptativa ante una situación ecológica particular, que puede ser atribuida a una experiencia previa experimentada durante la ontogenia (Graham, Murray & Wise, 2017).

Memoria y sistema nervioso

La memoria es un mecanismo que se encuentra soportado por el sistema nervioso, el cual es una estructura fisiológica altamente organizada y compleja, con una larga historia evolutiva. Sus principales funciones son la coordinación de la actividad motora y el procesamiento de información sensorial, mediante la transmisión de señales electroquímicas (Keijzer, van Duijn & Lyon, 2013). Al detectar cambios relevantes en el ambiente, esta estructura trabaja en conjunto para producir una respuesta adaptativa, dependiendo del contexto ecológico. Su relevancia evolutiva radica en el nivel de plasticidad que posee, y en sus consecuencias sobre el aprendizaje. Lo que posibilita el desarrollo de un mayor repertorio de conductas (Monk & Paulin, 2014).

El sistema nervioso y sus componentes poseen un pasado evolutivo ancestral, producto de cientos de millones de años de acumulación de novedades genéticas. Incluso posee componentes que evolucionaron primero en procariontes y eucariontes unicelulares (Burkhardt & Sprecher, 2017). La conservación y herencia de estos componentes y mecanismos ha producido la evolución de múltiples formas de memoria neuronal, que se encuentren ampliamente distribuidas en diversas especies como moluscos, artrópodos, aves o mamíferos (Crystal, 2018). Algunos ejemplos son las capacidades de memoria en roedores para el reconocimiento de olores en contextos reproductivos o para la navegación (Llano et al. 2010), la memoria episódica en aves, útil para recordar lugares donde se han almacenado alimentos (Rattenborg & Martinez-Gonzalez, 2011), o la memoria de navegación espacial en insectos (Collett et al. 2013)

Decimos que la memoria otorga ventajas adaptativas en el sentido de que permite la retención temporal del aprendizaje, desde segundos, horas, días, e incluso años. Es por ello que este mecanismo cognitivo es fundamental para la modificación del comportamiento. Además de que las estructuras cerebrales implicadas en la formación de la memoria tienen un pasado evolutivo, y las mismas se han ido modificando y complejizando a través de la filogenia. Generando sistemas de memoria cada vez más especializados y sofisticados (Nairne & Pandeirada, 2016).

Sistemas de memoria a corto y largo plazo

Diversas disciplinas científicas han realizado esfuerzos para desvelar los mecanismos subyacentes a los procesos de memoria. Tanto a nivel evolutivo, conductual, celular, molecular y genético. Estos resultados han generado evidencia consistente para poder categorizarla en dos sistemas generales: memoria implícita o no declarativa y memoria explícita o declarativa.

La memoria implícita versus memoria explícita

El sistema de memoria implícita refiere a la capacidad de retención temporal del aprendizaje adquirido mediante la realización de tareas perceptivas o motoras. Se considera no declarativa porque no requiere de la remembranza consciente del aprendizaje, se da de manera ‘inconsciente’ o automática. En cambio, la memoria explícita sí requiere del uso consciente del aprendizaje e involucra áreas cerebrales superiores y de evolución más reciente como el hipocampo (Asok et al. 2018).

La memoria explícita hace referencia al conocimiento consciente que se posee sobre otros individuos, objetos o lugares, y se clasifica en dos subsistemas: memoria episódica y memoria semántica. La memoria episódica permite la remembranza de eventos específicos, y la memoria semántica de eventos de carácter general. La memoria implícita requiere tiempo para su consolidación. Mientras que la memoria explícita tiene una formación más inmediata e implica un menor esfuerzo metabólico (Kandel, Dudai & Mayford, 2014).

La memoria explícita se desvanece relativamente rápido en ausencia de estimulación constante, mientras que la memoria implícita es mucho más robusta. Por lo que puede mantenerse durante gran parte de la vida de un organismo, incluso en ausencia de estimulación (Abraham, 2008). La evidencia evolutiva muestra que la memoria explícita evolucionó gracias a la aparición del hipocampo y de las conexiones que esta región tiene con otras áreas corticales. En contraste, la memoria implícita está integrada en varios niveles del sistema nervioso central, e involucra estructuras cerebrales más ancestrales y vestigiales (Kukushkin & Carew, 2017).

Plasticidad sináptica: mecanismo universal de la memoria a largo plazo

La plasticidad sináptica es el mecanismo universal que subyace a la formación de los dos sistemas generales de memoria de largo plazo. Es un mecanismo que se encuentra presente en todas las especies con sistema nervioso que se han utilizado como modelos, vertebrados e invertebrados. Y se define como la capacidad de las conexiones sinápticas para fortalecerse o debilitarse en respuesta al incremento o la disminución de estimulación en un contexto de aprendizaje (Glanzman, 2010).

Mecanismos epigenéticos favorecen la memoria a largo plazo

La plasticidad sináptica involucra mecanismos epigenéticos para producir adaptación ante condiciones de estrés ambiental y modificación del comportamiento, con base en la experiencia. Gracias a este mecanismo, las modificaciones estructurales inducidas en las neuronas después de un proceso de aprendizaje pueden persistir por amplios periodos de tiempo. Es de esta manera que el conocimiento adquirido se retiene en forma de memoria de largo plazo (Bailey, Kandel & Harris, 2017).

Ejemplos de estos cambios estructurales son el crecimiento y la formación de nuevas espinas dendríticas o el incremento de las conexiones sinápticas. Este mecanismo vuelve más robusta la memoria, y dado que se encuentra distribuido ampliamente en la naturaleza, es por esto que se considera como el mecanismo universal de la memoria de largo plazo (Meyer, Bonhoeffer & Scheuss, 2014).

De la memoria a corto plazo a la memoria a largo plazo

La plasticidad sináptica es el mecanismo que permite la conversión de la memoria a corto plazo en memoria a largo plazo, al verse reforzadas las conexiones sinápticas. La memoria de corto plazo involucra, principalmente, cambios a nivel local en las conexiones sinápticas preexistentes, que son causados por actividad de liberación de neurotransmisores. Estos cambios son de corta duración, pero pueden pasar por dos procesos diferentes: pueden desaparecer o verse reforzados. Cuando estos cambios se ven reforzados se da paso a la formación de la memoria de largo plazo, mediante un proceso llamado consolidación (Norris, 2017).

A diferencia de la memoria a largo plazo, este proceso no ocurre durante la formación de la memoria de corto plazo. Acontece en particular, cuando la estimulación en un contexto de aprendizaje se vuelve constante, que los cambios funcionales locales son seguidos por mecanismos epigenéticos de regulación de la expresión génica. Los cuales tienen lugar en el núcleo celular de las neuronas, y son encargados de inducir las modificaciones estructurales características de la plasticidad sináptica (Karpova, Sales & Joca, 2017).

Hallazgos en la investigación experimental sobre la formación de memoria a largo plazo

La investigación experimental, que se ha ocupado de descubrir cómo es que los mecanismos locales de la memoria a corto plazo preceden a la formación de memoria de largo plazo; ha hecho uso principalmente de la experimentación en organismos como el molusco Aplysia californica. Como ejemplo, una serie de estudios sobre el reflejo de retracción branquial en Aplysia revelaron qué, incluso a estas formas elementales de aprendizaje no asociativo, subyacen mecanismos de plasticidad sináptica durante la formación de memoria de largo plazo (Kandel, 2009). En estas condiciones experimentales, lo anterior se ilustra con el hecho de que una sola aplicación de estimulación eléctrica en la cola del molusco es suficiente para inducir la formación de la memoria de corto plazo. Mientras que la aplicación constante y sostenida da lugar a la formación de memoria de largo plazo, que cuenta con una duración de varios días (Kandel, 2012).

La relativa simplicidad de los circuitos neuronales que subyacen a las modificaciones conductuales en Aplysia califórnica, posibilitó la reducción del análisis de la memoria a niveles de organización celulares y moleculares. El modelado in vitro de este sistema de memoria reproduce coherentemente lo que es observado durante un protocolo de entrenamiento conductual; al reemplazar la estimulación eléctrica con aplicaciones de serotonina, la cual es liberada normalmente por la estimulación eléctrica. Por ejemplo, una sola aplicación de serotonina produce cambios locales de corto plazo, mientras que la aplicación repetida induce mecanismos de plasticidad de largo plazo, que pueden durar más de una semana (Antonov et al. 2011). En este sentido, se dice que se ha mantenido una memoria de largo plazo dependiente de la experiencia: el organismo retiene temporalmente el aprendizaje en forma de plasticidad sináptica. Este mecanismo es tan eficiente que se encuentra conservado en nuestra especie (Graham, Murray & Wise, 2017).

Conclusión

Los mecanismos celulares y epigenéticos de la memoria nos plantean la oportunidad de entender de qué manera y cómo se han conservado las capacidades cognitivas que nos permiten hoy en día sobrevivir, pero que en un momento evolucionaron en primera instancia en organismos que se encuentran lejanos a nosotros en la escala filogenética. La investigación de la plasticidad sináptica nos ha permitido comprender estos hilos que se llevan entretejiendo por cientos de millones de años, y nos ha dado buenos indicios para afirmar que los mecanismos cognitivos que hoy hemos heredado, construyeron sus cimientos de una manera lenta y acumulada, bajo presiones de selección que ahora forman parte de la vida cotidiana.

Referencias:

Abraham, W. (2008). Metaplasticity: tuning synapses and networks for plasticity. Nat. Rev. Neurosci. 9, 387–399. doi.org/10.1038/nrn2356
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Asok, A., Leroy, F., Rayman, J. & Kandel, E. (2018). Molecular Mechanisms of the Memory Trace. Trends in Neurosciences, 42(1), 14-22. doi.org/10.1016/j.tins.2018.10.005
Bailey, C., Kandel, E. & Harris, K. (2017). Structural Components of Synaptic Plasticity and Memory Consolidation, Cold Spring Harb Perspect Biol. 7, a021758. doi.org/10.1101/cshperspect.a021758
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