El cerebro ensaya por su cuenta
Los científicos han descubierto que el cerebro puede consolidar habilidades motoras durante el sueño sin la participación del hipocampo, una región que durante mucho tiempo se consideró la principal coordinadora de la consolidación de la memoria. El estudio, realizado en ratones y publicado en Nature Neuroscience, muestra que el sistema responsable de los hábitos y los movimientos puede reproducir por su cuenta secuencias neuronales del día y reforzarlas durante el sueño.
La memoria no es un proceso único. La memoria declarativa almacena hechos y acontecimientos; la procedimental, habilidades y hábitos, como montar en bicicleta. Antes se pensaba que el hipocampo reproducía por la noche el contexto espacial y temporal de lo vivido durante el día y después enviaba señales a otras regiones cerebrales. Sin embargo, estudios anteriores ya apuntaban a que las habilidades motoras podían consolidarse de forma independiente.
El equipo de Emmett Thompson y Lars Rollik, del University College London y dirigido por Marcus Stephenson-Jones, puso a prueba esta hipótesis. Enseñaron a los ratones a tocar sucesivamente cinco agujeros con el hocico para recibir una recompensa de agua si completaban la secuencia correctamente. Con el tiempo, sus movimientos se volvieron estereotipados: se había formado un hábito motor.
El papel clave en el aprendizaje quedó confirmado por el estriado dorsolateral, una zona del estriado dorsal situada en las profundidades del cerebro y relacionada con la coordinación del movimiento y el procesamiento de recompensas. Al desactivar esta región, los ratones no podían recordar la secuencia y se movían de forma caótica.
Después, durante el sueño, los investigadores bloquearon en el estriado dorsal los receptores necesarios para la neuroplasticidad, es decir, la capacidad del sistema nervioso para reorganizarse. Al día siguiente, los ratones rindieron como si tuvieran que volver a empezar parte del aprendizaje.
Los científicos implantaron electrodos de alta densidad y registraron la actividad de neuronas individuales durante la tarea y el sueño posterior. Un algoritmo de aprendizaje automático detectó patrones repetidos: distintos grupos de células se activaban en un orden concreto al pasar de un agujero a otro, recibir la recompensa, acicalarse y realizar otras acciones.
Durante el sueño, esas mismas secuencias volvían a aparecer; este fenómeno se denomina replay neuronal o reactivación. A veces se reproducían a velocidad normal y otras se aceleraban hasta durar fracciones de segundo. El cerebro reproducía con más frecuencia los episodios relacionados con la tarea y la recompensa. Al día siguiente, los ratones rendían mejor si la secuencia se reproducía hacia delante e incluía neuronas que se habían activado de forma constante durante el entrenamiento.
Para comprobar el papel del hipocampo, los investigadores lo desactivaron por completo en parte de los animales mediante lesiones bilaterales inducidas por virus. Estos ratones aprendieron la secuencia de cinco pasos igual de bien que el grupo de control: la velocidad y la precisión fueron las mismas. Mientras tanto, el estriado siguió reproduciendo patrones neuronales durante el sueño.
Se conservaron todas las características principales del replay: las secuencias se reproducían hacia delante y hacia atrás, se aceleraban y ralentizaban, aparecían en distintas fases del sueño y se seguían priorizando los patrones relacionados con la tarea. Esto significa que la memoria procedimental puede consolidarse de forma autónoma, sin el hipocampo.
Esto no demuestra que el hipocampo nunca participe en el aprendizaje motor. Puede ser importante en tareas en las que el movimiento está estrechamente relacionado con la navegación y la memoria del entorno. Además, los resultados solo se han obtenido en ratones, así que habrá que confirmarlos en humanos.
La siguiente pregunta es qué desencadena la reproducción autónoma en el estriado. Los científicos planean estudiar el papel de otras sustancias, incluida la dopamina, que interviene en el aprendizaje basado en recompensas. Los autores del estudio son Emmett J. Thompson, Lars B. Rollik, Benjamin Waked, Georgina Mills, Sthitapranjya Pati, Jasvin Kaur, Ben Geva, Haoyu Li, Rodrigo Carrasco-Davis, Tom George, Clementine Domine, William Dorrell y Marcus Stephenson-Jones.
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Un estudio del University College London ha mostrado que el cerebro puede consolidar habilidades motoras durante el sueño sin la participación del hipocampo. En el experimento, los ratones aprendían a realizar una secuencia de cinco acciones: tocar con el hocico cinco agujeros en orden para obtener agua. A medida que entrenaban, los movimientos se volvían más precisos y estereotipados; es decir, los animales formaban memoria procedimental, la que permite adquirir habilidades y hábitos.
La clave resultó ser el estriado dorsolateral, una zona del estriado dorsal relacionada con la coordinación del movimiento, el procesamiento de recompensas y la formación de hábitos. Al desactivarlo, los ratones no podían recordar la secuencia y sus movimientos se volvían desorganizados. Cuando los científicos bloquearon durante el sueño los receptores necesarios para la neuroplasticidad en el estriado dorsal, al día siguiente los animales rindieron peor y volvieron a una fase anterior del aprendizaje.
Con electrodos de alta densidad, los investigadores registraron la actividad de neuronas individuales durante la tarea y el sueño posterior. Un algoritmo de aprendizaje automático detectó secuencias estables: distintos grupos de células se activaban en un orden concreto al pasar de un agujero a otro, recibir una recompensa y realizar otras acciones. Durante el sueño, esas mismas secuencias volvían a reproducirse. A veces a velocidad normal y otras mucho más rápido, en fracciones de segundo. Esta repetición se denomina replay neuronal.
El replay tenía una estructura clara. El cerebro reproducía con mayor frecuencia las secuencias relacionadas con la tarea aprendida y la recompensa que otros episodios de comportamiento aleatorios. Si la secuencia iba hacia delante e incluía neuronas que se habían activado de forma constante durante el entrenamiento diurno, al día siguiente los ratones realizaban mejor la tarea.
Para comprobar si el hipocampo era necesario, los investigadores lo desactivaron por completo en una parte de los animales. Los ratones con el hipocampo dañado aprendieron la secuencia de cinco pasos con la misma rapidez y precisión que los animales de control. Los registros durante el sueño mostraron que el estriado seguía reproduciendo las secuencias neuronales. Se mantuvieron el orden directo e inverso, la aceleración y ralentización del replay y su presencia en distintas fases del sueño.
Por tanto, la memoria procedimental puede consolidarse de forma autónoma, sin el hipocampo. Esto no significa que el hipocampo no participe nunca en el aprendizaje motor: podría ser importante en tareas relacionadas con la navegación y la memoria espacial. Además, todavía no se pueden extrapolar directamente los resultados a las personas, ya que el experimento se realizó con ratones.
Los autores del estudio planean averiguar qué desencadena el replay independiente en el estriado. Se centrarán especialmente en la dopamina, una sustancia que interviene en el procesamiento de recompensas, el aprendizaje y la formación de hábitos. El trabajo «Replay of procedural memory is independent of the hippocampus» se ha publicado en Nature Neuroscience. Entre sus autores figuran Emmett J. Thompson, Lars B. Rollik, Benjamin Waked, Georgina Mills, Sthitapranjya Pati, Jasvin Kaur, Ben Geva, Haoyu Li, Rodrigo Carrasco-Davis, Tom George, Clementine Domine, William Dorrell y Marcus Stephenson-Jones.
