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Biotecnología

Así nos permite la tecnología ver y manipular los recuerdos

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La optogenética y las neuroimágenes avanzadas han ayudado a los neurocientíficos a comprender cómo se forman y han hecho posible su manipulación. Gracias al trabajo de los investigadores, hoy sabemos que las neuronas rivalizan entre ellas para almacenarlos o que es posible diseñar algoritmos que nos permitan visualizarlos

  • por Joshua Sariñana | traducido por Ana Milutinovic
  • 31 Agosto, 2021

En el cerebro humano hay 86.000 millones de neuronas, cada una con miles de conexiones, que dan lugar a cientos de billones de sinapsis. Las sinapsis o los puntos de conexión entre las neuronas almacenan los recuerdos. Esa inmensa cantidad de neuronas y sinapsis en nuestro cerebro hace que sea un tremendo desafío científico encontrar la ubicación precisa de un recuerdo específico.

Averiguar cómo se forman los recuerdos podría ayudarnos a aprender más sobre nosotros mismos y a mantener intacta nuestra agudeza mental. La memoria influye en la creación de nuestras identidades, y su deterioro puede indicar algún trastorno cerebral. El alzhéimer roba a las personas sus recuerdos destruyendo las sinapsis; la adicción secuestra los centros de aprendizaje y de memoria del cerebro; y algunas condiciones de salud mental, como la depresión, están asociadas con el deterioro de la memoria.

La neurociencia ha revelado, de muchas maneras, la naturaleza de los recuerdos, pero también ha cambiado la propia noción de lo que son estos. Las cinco preguntas siguientes hablan de cuánto hemos aprendido y qué misterios quedan por resolver.

¿Podemos ver los recuerdos en el cerebro?

Los neurocientíficos llevan décadas observando el esquema básico de los recuerdos en el cerebro, pero hace poco tiempo lograron ver la perdurable representación física de un recuerdo, que se denomina engrama de memoria. Un engrama se almacena dentro de una red de neuronas conectadas, y las neuronas con el engrama se pueden hacer brillar para que sean visibles a través de unos microscopios especiales.

Hoy en día, los neurocientíficos pueden manipular esos engramas de memoria activando artificialmente sus redes subyacentes e insertando nueva información. Estas técnicas también aclaran cómo funcionan los diferentes tipos de recuerdos y dónde se registra cada uno de ellos en el cerebro.

La memoria episódica autobiográfica tiene que ver con lo que ocurrió, dónde y cuándo. Su base está en el hipocampo, la estructura con forma de caballito de mar. La memoria procedimental, apoyada por los ganglios basales, nos permite recordar cómo llevar a cabo algunas conductas habituales como ir en bicicleta; esta región funciona mal en personas con adicción. Nuestra capacidad para recordar los hechos, como las capitales de distintos estados, se debe a la memoria semántica, que se almacena en la corteza cerebral.

¿Qué herramientas nos permiten ver los recuerdos?

A finales del siglo XIX, con los microscopios de mesa se identificaron las neuronas individuales, lo que permitió a los científicos crear representaciones asombrosamente detalladas del cerebro. A mediados del siglo XX, los potentes microscopios electrónicos mostraban estructuras sinápticas de solo decenas de nanómetros de ancho (aproximadamente el ancho de una partícula de un virus). A principios del siglo XXI, los neurocientíficos han empezado a utilizar la microscopía de dos fotones para observar la formación de sinapsis en tiempo real mientras los ratones aprendían.

Los increíbles avances en genética también han hecho posible intercambiar los genes dentro y fuera del cerebro para vincularlos a la función de la memoria. Los científicos han utilizado distintos virus para introducir en el cerebro de los ratones una proteína verde fluorescente que se encuentra en las medusas, lo que hacía que las neuronas se iluminaran durante el aprendizaje. También han usado la proteína de algas llamada canalrodopsina (ChR2) para activar las neuronas de forma artificial. Esa proteína es sensible a la luz azul, por lo que, cuando se inserta en las neuronas, estas se pueden encender y apagar con un láser azul: es la técnica conocida como optogenética. Con esta tecnología, que fue probada hace casi dos décadas por los investigadores de la Universidad de Stanford (EE. UU.), los neurocientíficos pueden activar artificialmente las células de un engrama de memoria en los animales de laboratorio.

Las nuevas técnicas también permiten estudiar cómo los impulsos nerviosos traducen la información del exterior a nuestro mundo interior. Para observar este proceso en el cerebro, los neurocientíficos utilizan pequeños electrodos para registrar los impulsos, que duran solo unos pocos milisegundos. Algunas herramientas analíticas, como los algoritmos de decodificación neuronal, pueden eliminar el ruido para revelar los patrones que indican el centro de la memoria en el cerebro. Los kits de software de código abierto permiten que más laboratorios de neurociencia lleven a cabo dicha investigación.

¿Qué nos dicen estas herramientas sobre cómo se crean y almacenan los recuerdos?

Hasta hace poco tiempo, era un misterio cómo las neuronas se convierten en parte de un engrama de memoria. Cuando los neurocientíficos miraron con atención, se sorprendieron al ver que las neuronas compiten entre sí para almacenar los recuerdos. Al insertar los genes en el cerebro para aumentar o disminuir la excitabilidad de las neuronas, los investigadores descubrieron que las neuronas más excitadas del área se convertían en parte del engrama. Estas neuronas también inhibirán activamente a sus vecinas para que no se conviertan en parte de otro engrama durante un corto período de tiempo. Esta competición probablemente ayuda a que se formen los recuerdos y muestra que el lugar dónde se guardan en el cerebro no es aleatorio.

En otros experimentos, los investigadores encontraron que las redes neuronales mantenían los recuerdos olvidados. Los ratones a los que se han inyectado un cóctel de inhibidores de proteínas han desarrolado amnesia, y probablemente olvidan la información porque sus sinapsis desaparecen. Sin embargo, los investigadores descubrieron que estos recuerdos no se perdían para siempre: las neuronas aún conservaban la información, aunque sin sinapsis no se podía recuperar (al menos no sin estimulación optogenética). Los ratones con alzhéimer mostraron una pérdida de memoria similar.

Otro hallazgo tiene que ver con cómo soñar fortalece nuestros recuerdos. Los neurocientíficos creyeron durante mucho tiempo que, a medida que las experiencias del día se repetían durante el sueño en forma de impulsos nerviosos, esos recuerdos se transferían lentamente del hipocampo a la corteza para que el cerebro pudiera extraer información con la que crear reglas sobre el mundo. También sabían que la corteza sintetizaba algunas reglas más rápidamente, pero los modelos existentes no podían explicar cómo pasaba esto. Sin embargo, recientemente, los investigadores han utilizado las herramientas optogenéticas en algunos estudios con animales para demostrar que el hipocampo también trabaja para establecer estas memorias corticales que se forman rápidamente.

"El hipocampo ayuda a crear rápidamente en la corteza los engramas de memoria inmaduros", afirma el profesor asistente del Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas (EE. UU.) Takashi Kitamura. "El hipocampo todavía enseña a la corteza, pero sin las herramientas optogenéticas no podríamos observar los engramas inmaduros".

¿Se pueden manipular los recuerdos?

Los recuerdos no son tan estables como podrían parecer. Por su propia naturaleza, deben estar dispuestos a cambiar, o el aprendizaje sería imposible. Hace casi una década, los investigadores del MIT alteraron genéticamente unos ratones de tal modo que, cuando sus neuronas estaban activas durante el aprendizaje, esta actividad activaba el gen ChR2, que estaba conectado a la proteína verde fluorescente. Al ver qué neuronas emitían fluorescencia, los neurocientíficos podían identificar cuáles participaban en el aprendizaje. También, podían reactivar algunos recuerdos específicos al encender los genes ChR2 asociados con esas neuronas.

Con esta capacidad, los investigadores del MIT insertaron un recuerdo falso en los cerebros de los ratones. Primero colocaron a los ratones en una caja triangular, que activaba los genes ChR2 y neuronas específicos. Luego, pusieron a los ratones en una caja cuadrada y les administraron descargas eléctricas en los pies mientras activaban las neuronas ChR2 asociadas con el primer entorno.

Finalmente, los ratones asociaron el recuerdo de la caja triangular con las descargas a pesar de que solo recibían estas mientras estaban en la caja cuadrada. "Los animales tenían miedo de un entorno en el que, técnicamente hablando, nunca había sucedido nada 'malo'", explica el coautor del estudio y actualmente profesor asistente de neurociencia de la Universidad de Boston (EE. UU.) Steve Ramirez.

No es factible utilizar tales técnicas que involucran cables de fibra óptica y láseres para experimentar en el cerebro humano, pero los resultados en el cerebro de los ratones sugieren la facilidad con la que se pueden manipular los recuerdos.

¿Podemos ver los recuerdos fuera del cerebro?

Los recuerdos humanos se pueden reconstruir visualmente mediante escáneres cerebrales. En una investigación realizada por el profesor asistente de neurociencia cognitiva de la Universidad de Oregón (EE. UU.) Brice Kuhl, a los participantes les dieron unas imágenes para observarlas; sus cerebros se escaneaban con una máquina de resonancia magnética para detectar qué regiones se activaban en esos momentos. Luego, se entrenó un algoritmo para adivinar lo que la persona estaba viendo y reconstruir la imagen basándose en esta actividad cerebral. El algoritmo también reconstruyó las imágenes que los participantes habían visto antes y en las que pensaban en esos momentos.

Hay mucho margen de mejora en estas imágenes reconstruidas, pero este trabajo demostró que los algoritmos de neuroimágenes y de reconstrucción pueden mostrar el contenido de los recuerdos humanos para que otros también los vean.

La tecnología ha permitido a los neurocientíficos mirar el cerebro por dentro y ver los diminutos rastros brillantes de la memoria. Sin embargo, el descubrimiento de que las experiencias y el conocimiento pueden implantarse o externalizarse también ha dado a la memoria un significado diferente. ¿Qué supone esto para nuestra idea de quiénes somos?

Biotecnología

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