En la zona de los recuerdos
Los científicos descubren que la misteriosa 'zona de incertidumbre' permite que el cerebro forme rápidamente nuevos recuerdos
El neocórtex es la parte más grande y compleja del cerebro, y durante mucho tiempo ha sido reconocido como el sitio de almacenamiento definitivo para los recuerdos. Pero, ¿cómo se establecen allí las huellas de eventos y experiencias pasadas? Científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro y la Facultad de Medicina de la Universidad de Freiburg han descubierto que un área del cerebro poco conocida, la zona incerta, tiene una forma poco convencional de comunicarse con la neocorteza para controlar rápidamente la formación de la memoria.
La memoria es una de las funciones más fundamentales y fascinantes del cerebro, ya que nos permite aprender de la experiencia y recordar nuestro pasado. Es por tanto un elemento central de nuestra identidad humana individual y colectiva. Además, una comprensión mecanicista de la memoria tiene implicaciones que van desde el tratamiento de la memoria y los trastornos de ansiedad hasta la inteligencia artificial y el diseño eficiente de hardware y software y, por lo tanto, no solo es de gran interés, sino también de gran importancia. Para formar recuerdos, el cerebro necesita construir asociaciones entre las señales sensoriales que vienen "de abajo hacia arriba" (o de afuera hacia adentro) del entorno y las señales "de arriba hacia abajo" generadas internamente que transmiten información sobre experiencias pasadas y metas del presente. Estas señales de arriba hacia abajo (o de adentro hacia afuera) continúan siendo enigmáticas y, por lo tanto, son un foco importante de la investigación actual.
El trabajo de los últimos años ha comenzado a identificar una serie de estos sistemas de proyección de arriba hacia abajo, que mostraban varios puntos en común: indicaban mediante excitación (la forma estándar de enviar información entre regiones corticales) y también mostraban un mecanismo común para la codificación de la memoria: Un estímulo con relevancia aprendida evoca una respuesta más fuerte en estos sistemas, lo que sugiere que esta potenciación positiva es una pieza del rompecabezas que es la huella de la memoria. “En contraste con estos sistemas, las vías inhibitorias de largo alcance son mucho más dispersas y menos numerosas, pero la creciente evidencia sugiere que aún pueden tener efectos sorprendentemente sólidos en la función y el comportamiento de la red”, dice el Prof. Dr. Johannes Letzkus, Profesor de la Universidad de Freiburg y ex líder del grupo de investigación en el Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro, quien dirigió el nuevo estudio publicado en Neuron. "Nos propusimos determinar si tales entradas podrían estar presentes en la neocorteza y, de ser así, cómo podrían contribuir de manera única a la memoria".
La Dra. Anna Schroeder, primera autora del estudio e investigadora postdoctoral en el laboratorio de Letzkus, decidió centrarse en un núcleo subtalámico predominantemente inhibidor, la zona incerta, para abordar esta cuestión. Si bien la función de esta región del cerebro sigue siendo tan misteriosa como sugiere su nombre, sus hallazgos preliminares indicaron que la zona incerta envía proyecciones inhibitorias que inervan selectivamente regiones de la neocorteza que se sabe que son importantes para el aprendizaje. En sus esfuerzos por estudiar la plasticidad de este sistema en todas las etapas del aprendizaje, implementó un enfoque innovador que le permitió rastrear las respuestas de las sinapsis individuales de la zona incerta en el neocórtex antes, durante y después de un paradigma de aprendizaje.
“Los resultados fueron sorprendentes”, recuerda Schroeder. “Si bien aproximadamente la mitad de las sinapsis desarrollaron respuestas positivas más fuertes durante el aprendizaje, la otra mitad hizo exactamente lo contrario. En efecto, lo que observamos fue una redistribución completa de la inhibición dentro del sistema debido al aprendizaje”. Esto sugiere que las sinapsis de la zona incerta codifican la experiencia previa de una manera única y bidireccional. Esto quedó especialmente claro cuando los científicos compararon la magnitud de la plasticidad con la fuerza de la memoria adquirida. Encontraron una correlación positiva, que muestra que las proyecciones de zona incerta codifican la relevancia aprendida de los estímulos sensoriales.
En experimentos separados, Schroeder descubrió que silenciar estas proyecciones durante la fase de aprendizaje perjudica el rastro de la memoria más adelante, lo que indica que la plasticidad bidireccional que ocurre en estas proyecciones es necesaria para el aprendizaje. También descubrió que estas proyecciones inhibidoras forman preferentemente conexiones funcionales con otras neuronas inhibidoras en la neocorteza, formando de hecho un circuito desinhibitorio de largo alcance. “Esta conectividad implica que una activación de la zona incerta debería resultar en una excitación neta de los circuitos neocorticales”, dice Schroeder. "Sin embargo, combinar esto con la redistribución de la inhibición que vemos con el aprendizaje muestra que esta vía probablemente tenga consecuencias computacionales aún más ricas para el procesamiento neocortical".
Los científicos estaban particularmente intrigados por la población de sinapsis de zona incerta que mostraban potenciación negativa, ya que este tipo de plasticidad nunca antes se había observado en las vías excitatorias de arriba hacia abajo que se estudiaron previamente. Sintieron que los enfoques computacionales podrían proporcionar información valiosa sobre cómo se desarrollan estas respuestas únicas. Análisis adicionales en colaboración con el laboratorio del Prof. Dr. Henning Sprekeler y su equipo en la Universidad Técnica de Berlín revelaron que, notablemente, estas respuestas negativas son el principal impulsor de los cambios en la representación de estímulos que ocurren durante el aprendizaje mismo.
Este trabajo proporciona la primera disección funcional de cómo la inhibición de largo alcance da forma a los cálculos de la neocorteza. Las señales identificadas en este estudio probablemente sean críticas no solo para la memoria, sino también para una serie de funciones cerebrales adicionales, como la atención. Además, la zona incerta se encuentra entre las pocas regiones dirigidas de forma estándar a la estimulación cerebral profunda en pacientes humanos con Parkinson, lo que abre una posibilidad intrigante para el trabajo de traducción en el futuro. En última instancia, es de esperar que este estudio también inspire a otros investigadores a seguir explorando el papel de la inhibición de largo alcance en la regulación de la función neocortical, tanto de la zona incerta como de fuentes adicionales, aún por identificar.
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