Esto es lo que pasa en el cerebro cuando se produce un recuerdo

Tras seis años de investigación, descubrieron que el aprendizaje hace que las sinapsis, las conexiones entre neuronas, proliferen en algunas zonas y desaparezcan en otras, en lugar de limitarse a cambiar su fuerza, como se pensaba habitualmente. Estos cambios en las sinapsis pueden ayudar a explicar cómo se forman los recuerdos y por qué ciertos tipos de recuerdos son más fuertes que otros.

El estudio fue posible gracias a un nuevo tipo de etiquetado de células y a un microscopio a medida inventado en la USC. Los investigadores también desarrollaron una forma vanguardista de rastrear y archivar los datos recogidos para que sus hallazgos fueran lo más accesibles y reproducibles posible.

Antes de su trabajo, no era posible determinar la ubicación de una sinapsis en un cerebro vivo sin modificar su estructura y función, lo que hacía inviables las comparaciones antes y después de la formación de la memoria.

Gracias a una colaboración multidisciplinar entre la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC y la Facultad de Letras, Artes y Ciencias Dornsife de la USC, los equipos pudieron determinar por primera vez la fuerza y la ubicación de las sinapsis antes y después del aprendizaje en el cerebro de un pez cebra vivo, un animal utilizado habitualmente para estudiar la función cerebral.

El pez cebra es lo suficientemente grande como para tener un cerebro que funciona como el nuestro, pero lo suficientemente pequeño y transparente como para ofrecer una ventana al cerebro vivo.

Para crear memorias que medir, el equipo de investigación tuvo que idear nuevos métodos para inducir al pez cebra larvario a aprender. Para ello, entrenaron a los peces de 12 días de edad para que asociaran el encendido de una luz con el calentamiento de la cabeza con un láser infrarrojo, acción que trataban de evitar intentando alejarse nadando.

Los peces que aprendían a asociar la luz con el láser inminente movían la cola, indicando que habían aprendido. Cinco horas de entrenamiento después, el equipo pudo observar y captar cambios significativos en los cerebros de estos peces cebra.

Además de crear este nuevo enfoque, Don Arnold, neurocientífico del Dornsife de la USC y profesor de ciencias biológicas e ingeniería biomédica, dirigió un equipo que creó nuevos métodos para alterar el ADN de los peces de modo que la fuerza y la ubicación de una sinapsis quedaran marcadas con una proteína fluorescente que brilla cuando es explorada por un láser.

"Nuestras sondas pueden etiquetar sinapsis en un cerebro vivo sin alterar su estructura o función, lo que no era posible con las herramientas anteriores", explica Arnold. Esto hizo posible que el microscopio especializado desarrollado por el equipo de Fraser escaneara el cerebro y obtuviera imágenes de dónde se encontraban las sinapsis.

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"El microscopio que construimos se adaptó para resolver este reto de obtención de imágenes y extraer el conocimiento que necesitábamos", resalta Scott E. Fraser, profesor Provost de Ciencias Biológicas e Ingeniería Biomédica en el Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC.

Con este innovador microscopio pudieron observar los cambios en animales vivos y obtener imágenes del antes y el después de los cambios en el mismo espécimen. Antes, como los experimentos se realizaban en especímenes fallecidos, sólo podían comparar dos cerebros diferentes, uno condicionado y otro no.

El resultado fueron cientos de imágenes y experimentos que hubo que procesar y analizar. Un tercer grupo, dirigido por Carl Kesselman, informático del Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC y profesor de ingeniería William H. Keck de la USC Viterbi, desarrolló nuevos e innovadores algoritmos que lo hicieron posible, al tiempo que se hacía un seguimiento de los grandes y complejos experimentos que se realizaron durante la investigación.

La principal conclusión al analizar esas imágenes es que, en lugar de que la memoria hiciera cambiar la fuerza de las sinapsis existentes, se destruyeron las sinapsis de una parte del cerebro y se crearon sinapsis completamente nuevas en una región diferente del cerebro.

"Durante los últimos 40 años, la opinión generalizada era que se aprendía cambiando la fuerza de las sinapsis --explica Kesselman, que también es director de la División de Informática del Instituto de Ciencias de la Información de la USC y profesor del Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas Daniel J. Epstein--, pero eso no es lo que encontramos en este caso".

"Este fue el mejor resultado posible que podíamos tener --continúa Arnold--, porque vimos este cambio dramático en el número de sinapsis, algunas desapareciendo, otras formándose, y lo vimos en una parte muy definida del cerebro".

Los resultados sugieren que los cambios en el número de sinapsis codifican los recuerdos en el experimento, y pueden ayudar a explicar por qué los recuerdos asociativos negativos, como los asociados al trastorno de estrés postraumático (TEPT), son tan robustos.

"Se ha pensado que la formación de la memoria implica principalmente la remodelación de las conexiones sinápticas existentes --continúa Arnold--, mientras que en este estudio, encontramos la formación y eliminación de sinapsis, pero vimos sólo pequeños cambios aleatorios en la fuerza sináptica de las sinapsis existentes".

"Esto puede deberse a que este estudio se centró en los recuerdos asociativos, que son mucho más sólidos que otros recuerdos y se forman en un lugar diferente del cerebro, la amígdala, frente al hipocampo para la mayoría de los demás recuerdos --resalta--. Esto podría tener algún día relevancia para el TEPT, que se cree que está mediado por la formación de recuerdos asociativos".