Ciencia y Tecnología

¿Cómo se forma la memoria? Un chileno realiza un hallazgo fundamental

Roberto Araya dirigió un equipo que resolvió un misterio del cerebro. Adelanta en PAUTA el artículo publicado por Nature Communications.

PAUTA/ Fernanda Monasterio Blanco

Por Fernanda Monasterio Blanco

Miércoles 26 de agosto de 2020

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Entender el funcionamiento de la mente humana convoca a científicos e investigadores. Y descifrar interrogantes sobre cómo se forjan los recuerdos y funciona biológicamente la memoria es un desafío monumental. Parecía incluso un misterio sin resolver.

Hasta ahora.

Buscando entender ciertos aspectos de la memoria y los recuerdos, un grupo de investigadores del Centro Hospitalario Universitario Sainte-Justine y de la Universidad de Montreal, liderado por el científico chileno Roberto Araya, descubrió cuál es la función de las espinas dendríticas (la mínima unidad funcional de una neurona) en el proceso biológico más frecuente y efectivo de formación y desecho de memoria, llamado STDP.

Este hallazgo fundamental es publicado por la revista científica Nature Communications este 26 de agosto.

¿De qué se trata? Todo será explicado con más detalle -y con una ilustrativa analogía- a continuación.

Entender en detalle la neurona

Para hacer más comprensible este descubrimiento, y el funcionamiento de una neurona, Araya pone la siguiente analogía sobre la mesa:

"Imagina un árbol", dice sobre la estructura de una neurona. "Las raíces están representadas por el axón, el tronco central por el cuerpo celular, las ramas periféricas por las dendritas y finalmente las hojas por las espinas dendríticas", continúa.

"Estas miles de pequeñas hojas actúan como puerta de entrada al recibir información excitadora de otras células. Ellas decidirán si esta información es lo suficientemente significativa como para amplificarla y hacerla circular a otras neuronas", explica Araya, profesor asociado del Departamento de Neurociencias de la Facultad de Medicina de la Universidad de Montreal, Canadá.

Según explica a PAUTA, el principal avance que trae esta investigación es que se logró decodificar "por primera vez cuales son las leyes básicas de la formación de plasticidad sináptica (potenciación o depresión de cierta información) y de la formación de memoria durante el proceso de STDP a nivel de la mínima unidad funcional, o sea, las espinas dendríticas".

Quizás aún le quedan dudas sobre este descubrimiento. Para que se entienda mejor, nuevamente recurriremos a una analogía.

Cuando las neuronas amplifican el volumen

Las espinas dendríticas son las zonas de contacto entre las neuronas y puertas de entrada de la información que reciben de otras neuronas.

Si una señal, proveniente de otra neurona, llega a la puerta de manera persistente, se activa un mecanismo mediante el cual las neuronas amplifican el "volumen" para que puedan "escuchar" mejor esa información en particular.

Por otro lado, para aquella información no tan relevante, cuyo "volumen" sea bajo, las espinas dendríticas tenderán a reducirlo aun más para que pase desapercibida. Este fenómeno es la "plasticidad sináptica", que implica la potenciación o depresión de la información que entra por esa compuerta.

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Gusanos permitirían la regeneración de neuronas dañadas

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"Lo que nos sorprendió es que, si activamos más de una 'hoja del árbol' o espina dendrítica en un pedazo pequeño de la 'rama' o dendrita de la neurona piramidal, se activa un mecanismo celular en el cual se impide que se pierdan esas conexiones (o que se baje el volumen de la información recibida), y se fomenta el incremento de esa información (se aumenta el volumen). Es decir, encontramos que una información -que estaba propensa a ser desechada- ahora no solo no se desecha, sino que se considera muy relevante porque otra 'hoja' muy cercana está recibiendo la misma señal, manteniéndose o aumentando su 'volumen'", explica Araya sobre la investigación.

"Descubrimos que la información tiene que entrar por espinas dendríticas que están agrupadas una al lado de la otra -a menos de 5 micrones de distancia-, para que la neurona tome en cuenta esa señal y forme una memoria que no se borre, y que efectivamente haga que esa neurona tome la decisión de considerar esta información como importante y entonces mandarla a otra neurona, generando un potencial de acción en el cuerpo celular", comenta.

Además, "cambiando las distancias y el número de espinas dendríticas activadas fuimos descubriendo las reglas fundamentales de cómo se almacena la información -las memorias- en las neuronas de la corteza cerebral", agrega el investigador.  

La metodología aplicada

Para estudiar cómo la activación de las espinas dendríticas en las neuronas de la corteza cerebral genera plasticidad (el control del volumen en la analogía acústica), los científicos analizaron cerebros de ratones.

Foto: Roberto Araya trabajando con el equipo utilizado para realizar la investigación.

"Mediante el uso de un microscopio de dos fotones, que nos permite tomar imágenes y activar espinas dendríticas únicas, y el uso de registros electrofisiológicos en las neuronas piramidales de la corteza, pudimos estudiar la activación de una o varias de estas espinas dendríticas, y registrar electrofisiológicamente las respuestas de ellas. También estudiamos las bases biofísicas y moleculares del proceso de plasticidad sináptica cuando estimulamos una o varias espinas dendríticas. Estos son experimentos dificilísimos, en el límite de la tecnología disponible, que nos tomaron más de seis años de trabajo intenso con un equipo de neurocientistas espectacular que tengo el privilegio de dirigir", cuenta Araya sobre la metodología usada para esta investigación.

Araya construyó él mismo este sofisticado microscopio que cuenta con un rayo láser como fuente de fotones, utilizando su entrenamiento posdoctoral en el laboratorio del profesor Rafael Yuste, en la Universidad Columbia en Nueva York.

¿Juntas o separadas?

Por si aún le queda alguna duda de cómo funciona la comunicación entre neuronas, Araya plantea el siguiente ejemplo:

Imagínese que usted escucha a 10 personas al mismo tiempo. Si todos hablan al mismo tiempo y al mismo volumen, usted no podrá entender lo que le están intentando decir. Pero, si por alguna razón hay una persona que persistentemente le habla, usted pensará que esa información es más relevante que la de las otras nueve personas.

Es entonces que usted hará un cambio en sus espinas dendríticas para que la información proveniente de esa persona -que persistentemente le habla- y en las espinas dendríticas que reciben la información proveniente de esa persona sea más relevante o de mayor volumen que la del resto.

"El proceso de cómo hacer que la información sináptica sea amplificada o reducida es el proceso de plasticidad sináptica, y este está directamente relacionado con la formación de memorias", señala Araya.

"En este trabajo logramos decodificar ciertas reglas que rigen el funcionamiento de las espinas dendríticas, y cómo las reglas varían si se activan las espinas dendríticas que están juntas, versus aquellas que están separadas en las dendritas", explica. "En el fondo, encontramos que las reglas de la formación de plasticidad y memoria dependen drásticamente del arreglo de cómo se activan las espinas dendríticas de la neurona", agrega.

En el video -compartido a PAUTA por Araya- se puede ver cómo la estimulación de dos espinas provoca la inducción de una memoria (por eso se ilumina un microclúster de espinas). En caso contrario, si solamente se estimulara una, no se produciría ningún almacenamiento de información. "La neurona decodifica esa información como algo importante y, por lo tanto, no se destruye, sino que por el contrario aumenta el volumen de esas dos espinas", ilustra el investigador.

Descubrir para aportar

Según explica Araya, en casos como el autismo, Alzhéimer y otras enfermedades, las espinas dendríticas están muy alteradas en cuanto a su estructura, densidad dentro de las dendritas (hojas en la rama) y función.

Por ende, en dichos casos las reglas que aquí fueron descubiertas -de cómo se forma la plasticidad sináptica, la memoria, y su dependencia en el arreglo espacial y temporal en el modo en que se activan las espinas en las dendritas- están enormemente afectadas.

"Lo interesante es que, mediante el uso de modelos de ratones de estas enfermedades, estamos empezando a ver cómo estas reglas sinápticas de aprendizaje están efectivamente afectadas. Más aún, estamos viendo cuáles son las proteínas responsables de mantener esta regla de aprendizaje y cómo en ciertas enfermedades la función de estas proteínas y la funcionalidad de las espinas dendríticas se ven afectadas", reseña.

Revise el estudio en este enlace.

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