Kitabı oku: «La memoria»

La caja negra
de la memoria

Escribía Marcel Proust que «los momentos del pasado no permanecen parados; retienen en nuestra memoria el movimiento que los arrojó hacia el futuro». El novelista que tanto indagó en la experiencia humana de la memoria sabía que nuestros recuerdos no son archivos fosilizados, sino que más allá de ser lo que somos, son también lo que seremos. La memoria es, pues, mucho más que la capacidad de recordar. Y aunque esta es la concepción más generalizada, esta visión elude la consideración de varias de sus vertientes no menos importantes y que se vienen poniendo de manifiesto a medida que se han materializado los progresos científicos. No menos relevante es una comprensión amplia de la memoria cuando se profundiza en sus derivaciones en procesos patológicos, donde los déficits pueden ser elementos clave en el diagnóstico y en el estudio de opciones terapéuticas para paliarlos y, si es posible, sanarlos. Adicionalmente, una línea de investigación muy relevante en la actualidad es la de la implementación de sistemas artificiales que incorporen la capacidad de aprender, sistemas que en un futuro no lejano deberían beneficiarse de la bioinspiración, en el sentido de impregnarse de las enseñanzas de la evolución que han invertido millones de años de ensayos naturales para mejorar la adaptación de los seres vivos al medio, y que dotan a los sistemas biológicos de unos niveles de eficiencia superiores a los de las máquinas actuales más dotadas.

A partir de lo anterior, puede aceptarse la concepción generalizada de que la memoria es la función cerebral que nos permite recordar eventos acontecidos. Por tanto, es el resultado de la experiencia. Y los procesos mediante los cuales se almacenan esas memorias reciben el nombre de aprendizaje, aunque con alguna frecuencia se utilizan los términos memoria y aprendizaje como sinónimos. Sin embargo, esta generalización es poco compatible con los avances científicos que se vienen desarrollando durante los dos últimos siglos y que desembocan en escenarios inimaginables años atrás, muchos aún en fase de ser comprendidos, que constituyen los actuales retos de la memoria.

La memoria no es una función en sí, sino un estado de la función cerebral que se extiende a una multiplicidad de regiones cerebrales y que penetra en prácticamente todo nuestro comportamiento, entendiendo por tal nuestra conducta observable. A partir del momento en que el sistema nervioso empieza a desarrollarse en el feto y deviene en funcional, se encuentra expuesto a la interacción con el ambiente, a la experiencia, lo que se traduce en procesos de aprendizaje. Veremos en el próximo capítulo una relación de conductas, muchas de ellas que se ejecutan irreflexivamente, que se sustentan en la memoria, aunque no nos demos cuenta. Desde la acción de beber de un vaso a la de hablar, que parecen naturales, están impregnadas de memorias, en tanto ni un vaso, ni las palabras, existen predefinidos por nuestra genética y, por tanto, requieren un aprendizaje. ¿Qué separa a la memoria del resto del funcionamiento cerebral normal? La respuesta se da por exclusión: no son parte de la memoria los circuitos cerebrales que no puedan ser modificados por el aprendizaje. Este es un aspecto importante, porque los circuitos modificables por el aprendizaje tienen la propiedad de adaptarse, algo que no ocurre en los que están determinados genéticamente a permanecer inalterables.

Pero la comprensión de la memoria irrumpe también en el debate fieramente vigente sobre los límites de la inteligencia artificial. ¿Podrán las máquinas ser autónomas y reemplazar o incluso desplazar al hombre?

Consideremos un escenario hipotético: si nuestro cerebro está constituido por moléculas (proposición que puede considerarse necesariamente aceptable) que subyacen al procesamiento de la información desde nuestros órganos sensoriales hasta la producción de respuestas, y asimismo aceptamos que nuestra conducta se modifica por la experiencia (proposición también necesariamente aceptable), podremos concluir que esa modificación (memoria) determinará nuestra conducta. Y que por tanto estará basada en el procesamiento realizado por las moléculas implicadas, que no pueden hacer otra cosa sino seguir las leyes de la física y la química. Por las mismas razones, si se pueden replicar tecnológicamente los elementos de procesamiento, chips en vez de neuronas, podría haber máquinas que no solo repliquen nuestra conducta, sino que se autoprogramen en función de la experiencia (memoria), proyectando la misma impresión de inteligencia que nosotros argumentamos tener. En múltiples ocasiones se ha planteado: ¿qué es lo que nos hace humanos? Y la respuesta está en la plasticidad neuronal para modificar nuestras conductas, que nos proporciona una ventaja adaptativa para acomodarnos al ecosistema, y una herramienta para modificarlo a nuestra medida frente a las restricciones del resto de especies, cuyo repertorio comportamental está mayoritariamente determinado por su genética. Y esa plasticidad neuronal, subyaciendo al comportamiento, es precisamente la base de la memoria.

Pero no hay cara sin cruz, y la ventaja que nos confiere la plasticidad que ha determinado la primacía del hombre en la Tierra impone vulnerabilidades. No hay evidencias de enfermedad de Alzheimer o de esquizofrenia en animales desarrollados en entornos naturales; son trastornos que parecen ser específicamente humanos. Los humanos padecemos enfermedades como la de Alzheimer, marcada por la memoria, donde desaparece la memoria declarativa —aquella en la que se almacena información de hechos que suceden o se aprenden a lo largo de la vida— y se desestructura el yo de la persona; o la esquizofrenia, marcada por las alucinaciones, donde se desestructura la percepción de la realidad y se construyen mundos desconectados de una memoria coherente. Tenemos capacidades que nos diferencian y distancian de otras especies, pero que implican vulnerabilidades, nuevos nichos para el desarrollo de enfermedades antes desconocidas.

Cuando, hace un siglo, la esperanza de vida de las personas era de cuarenta años, como sigue siéndolo en los países en desarrollo, la incidencia de la enfermedad de Alzheimer era anecdótica. Pero es una enfermedad que se asocia a la edad, y cuando la esperanza de vida supera los ochenta años pasa a tener muy alta prevalencia. En Japón, la población con mayor esperanza de vida, se estima que en 2050 la atención a la enfermedad de Alzheimer consumirá el total de los recursos del sistema de salud de ese país. Es este, por tanto, un reto urgente del estudio de la memoria que discurre paralelo al avance del conocimiento en esta área de la neurociencia.

Inevitablemente, el reto anterior nos conduce al siguiente: cuando la memoria se desestructura, lo hace la cognición de la persona; el «yo» se difumina. Un «yo» que viene determinado por nuestra experiencia acumulada, el conjunto de nuestras experiencias y vivencias, y que a su vez determina nuestro afrontamiento de la realidad presente y nuestra capacidad de anticipar el futuro, de predecir la probabilidad de que algo suceda. Con frecuencia se ignora esta faceta predictiva (hacia el futuro) de la memoria, que es al menos igual de relevante que la de recordar (hacia el pasado), y que, como veremos más adelante, tuvo su punto de partida con el descubrimiento del científico ruso Ivan Pavlov, quien puso de manifiesto cómo el aprendizaje asociativo permite el establecimiento de relaciones causa-efecto de carácter predictivo que nos permiten anticipar respuestas a sucesos probables; siendo, naturalmente, menos probable una predicción cuanto más alejada del momento se encuentre. Esta doble vertiente de la memoria explica que regiones dispares del cerebro se encuentren involucradas: aquellas que participan en la adquisición de los recuerdos y aquellas que tienen un papel mayor en la planificación estratégica.

DEL ALMA A LA NEUROCIENCIA

De los párrafos anteriores podemos intuir que la memoria es un estado del cerebro determinado por la experiencia, que radica en distintas regiones cerebrales densamente interconectadas e interaccionando dinámicamente para dar lugar a nuestro comportamiento. En la actualidad, disponemos de un cuerpo amplio de doctrina, cuyas bases neurofisiológicas se describen en las próximas páginas y que concretaremos en el tercer capítulo, pero este conocimiento es reciente; con anterioridad a disponer de la tecnología necesaria, los humanos intentaron adentrarse en su comprensión, inicialmente desarmados por prejuicios y únicamente armados con la capacidad de observar.

Suele decirse que la historia nos ayuda a comprender el presente. Es cierto a veces, pero otras nos instala prejuicios que primariamente se manifiestan en el lenguaje. De forma cotidiana manejamos el concepto memoria como se ha venido usando durante siglos. Evidentemente no se ocultaba a nuestros antecesores que el hombre podía recordar, y a eso lo llamaban memoria. Los antiguos veían en lo humano algo singular, no compartido con los animales y sí conectado con los dioses. Pero los dioses eran etéreos, no podían compartir la naturaleza imperfecta de lo físico, de la carne, y entendieron que lo distintivo del hombre eran las facultades del alma: memoria, entendimiento y voluntad. Esta idea persistió durante siglos y fue heredada por la escolástica. Aunque esta concepción es antigua, se mantiene en imágenes medievales que reflejan cómo no se entendía que el cerebro pudiera ser el sustrato físico de las facultades propias del hombre que le ponían en contacto con la divinidad. Resulta forzoso poner de manifiesto el motivo del error: los griegos consideraban que la naturaleza no era manipulable, y fue corriente la prohibición de las autopsias y de la experimentación. Cuando, eventualmente, disecaron cerebros, el líquido cerebrorraquídeo contenido en su interior se desparramaba, pareciendo que los ventrículos cerebrales contenían aire, espíritu, capaz de compartir naturaleza con la divinidad. Ahora, fríamente, diríamos que se cometió un error metodológico, pero fue un error que sentó cátedra: se creyó que las facultades del alma estaban asentadas en los ventrículos cerebrales, espacios que contenían espíritu. Una de estas facultades, ya lo sabemos, era la memoria.

Estas preconcepciones no eran cosa menor, y algunos que osaron cuestionarlas acabaron en la hoguera. No es, por tanto, extraño que fueran compartidas por personalidades de reconocida lucidez como Descartes o Leonardo da Vinci.

Descartes nos dejó un dibujo en el que muestra muy buen conocimiento de la función de los nervios para la época: la información del mundo entraría por los ojos y dirigiría la acción del movimiento de los dedos. Todo ello, no pasando por el cerebro, sino por una minúscula porción del mismo, la glándula epifisaria o pineal. Para Descartes, la masa cerebral era una especie de radiador para la refrigeración de la sangre.

Estos ejemplos simplemente ponen de manifiesto que hasta el siglo XVI primó la aceptación ciega de las descripciones clásicas, así como el concepto de la superioridad del hombre sobre otras especies basada en disponer de funciones del alma en directa conexión con los dioses. No era viable buscar una base material de esas funciones; el puro planteamiento de tal posibilidad era herético. La revolución en Occidente se produjo en esos años y jugó un papel clave el anatómico Andrés Vesalio, empeñado en contrastar mediante la disección de cadáveres la realidad de las enseñanzas tradicionales. Esta corriente cristalizó años más tarde en la Ilustración, que se resume en la frase kantiana: Sapere Aude! (¡Ayúdate a ti mismo!). Se separó la información supuestamente proveniente de los dioses por la que el hombre pudiera obtener analizando la realidad.

En esta corriente fue clave la aportación de Franz Joseph Gall, fundador de la frenología que introdujo la noción de localización cerebral defendiendo que las funciones mentales residen en áreas específicas del cerebro, determinando el comportamiento. Esta perspectiva puede considerarse contemporánea, no tanto algunas de sus especulativas conclusiones; por ejemplo, que a consecuencia del desarrollo de estas funciones se determinarían las características del cráneo, por lo cual estimó de interés estudiar sujetos con los ojos saltones que indicarían un desarrollo cerebral mayor.

Casi un siglo después, el francés Paul Broca desarrolló la teoría localizacionista, que postulaba que cada función cerebral estaba asentada en una región, y dejó para la posteridad la identificación del «área de Broca» como la responsable del lenguaje a partir del cotejo de la sintomatología de un paciente (afasia motora) con su autopsia. En la consolidación de estas ideas fueron claves las aportaciones de los coetáneos de Broca, Gustav Fritsch y Eduard Hitzig, que introdujeron la noción de centro nervioso a partir de experimentos pioneros, en los que estimulando eléctricamente la corteza motora de los perros eran capaces de producir movimientos. Como médico del ejército prusiano, Hitzig había realizado observaciones previas en soldados con pérdida de hueso craneal en la batalla, lo que le permitió apuntar en la dirección que, con posterioridad, pudo comprobar experimentalmente.

La concepción animista de las facultades mentales fue un obstáculo para la ciencia, pero no el único. Incluso el reconocimiento del cerebro como el sustrato de las funciones superiores no dejaba expedito el camino, porque por un tiempo siguieron prevaleciendo perspectivas de inspiración teológica. Según esta visión, Dios había creado cada especie como un compartimento estanco y, como reza la Biblia, al ser humano a su imagen y semejanza. Por tanto, cualquier experimentación animal tendría poco sentido para entender al ser humano. Obviamente, la experimentación con humanos estaría sujeta a severas limitaciones. Es en este sentido en el que hay que entender dos aportaciones clave: la de Charles Darwin y la de Ivan Pavlov.

Darwin entendió que las especies no eran compartimentos estancos, sino que la evolución trazaba caminos entre las mismas, siendo el cambio la respuesta a la necesidad de adaptarse a entornos hostiles. La aceptación del evolucionismo significó abrir la opción de la experimentación animal, en la medida en que se podría esperar que entre especies hubiera funciones conservadas, cuyo estudio pudiera servir de modelo sin recurrir a la experimentación con personas.

En el terreno que nos interesa, la memoria, el siguiente paso clave lo dio Pavlov, en cuya contribución profundizaremos en el capítulo siguiente. Pavlov mantenía a perros con tubos (cánulas) en los conductos que llevaban las secreciones digestivas, entre ellas las de las glándulas salivales. De esta forma pudo observar cómo la presencia de comida inducía la producción de saliva en sus animales. Pero, sagazmente, también observó que se producía secreción salival cuando se acercaba a la jaula con la misma bata que cuando llevaba comida. De modo que los perros habían aprendido que la bata era un indicador de que se les iba a proporcionar comida, y salivaban igualmente. Más tarde operativizó la observación haciendo sonar una campana antes de proveer la comida y comprobando que los perros acababan salivando al oír la campana. Sin pretender profundizar, sí es necesario hacer referencia a un punto clave: el aprendizaje asociativo implica que un sujeto aprende que tras un estímulo (sonido de la campana) hay una probabilidad alta de que se vaya a producir un resultado (comida), y los asocia. Esta alta probabilidad de que se produzca esta secuencia es a lo que hace referencia el concepto de contingencia, y significa que el sujeto aprende a establecer una relación entre una causa y un efecto. Por consiguiente, el descubrimiento de Pavlov tiene varias dimensiones, todas de extraordinario alcance. Sin duda el descubrimiento de Pavlov valida la experimentación animal como base de conocimiento humano con la aceptación del evolucionismo, constituyendo también un punto esencial que permitirá desarrollar la doctrina del conexionismo, la cual propone que el comportamiento resulta de la actividad de neuronas interconectadas. Pero no menos importante y que ya hemos comentado: hasta ese momento se entiende que la memoria sirve para recordar el pasado, pero a partir del descubrimiento pavloviano se comprende que la memoria sirve también para construir relaciones causa-efecto en relación con efectos probables pero todavía no acontecidos. Por tanto, la memoria se proyecta hacia el futuro, tiene carácter predictivo.

Tres aproximaciones al funcionamiento cerebral en relación con el aprendizaje y la memoria. Arriba a la izquierda, ilustración clásica de Descartes del circuito sensorimotor que se cierra en la glándula pineal. A su derecha, dibujo localizacionista con distribución de funciones cerebrales. Abajo, Pavlov, que abrió las puertas al aprendizaje asociativo, junto a sus colaboradores.

En principio, el abordaje de la memoria se realizó con la idea de que no era necesario comprender los resortes íntimos del cerebro, que era considerado una caja negra. El conexionismo reorientó la perspectiva, gracias a las aportaciones fundamentales de dos psicólogos, Karl Lashley y Donald Hebb, a partir de los avances de Santiago Ramón y Cajal en el conocimiento del tejido cerebral, que describió como constituido por células al igual que el resto de tejidos del cuerpo. Cajal consiguió observar detalles que clarificaron cómo el tejido neuronal no era una red continua sino que estaba constituido por neuronas, células especializadas en la conducción de impulsos que se caracterizan por poseer un árbol asimétrico de prolongaciones que, frecuentemente, alcanza gran complejidad. Esta asimetría es clave porque significa que las neuronas están polarizadas. Parte de su árbol, las dendritas, reciben los impulsos de otras neuronas, mientras que otra parte, el axón, envía esos impulsos a las siguientes (fig. 1). Esta polarización permitió a Cajal intuir la direccionalidad de la propagación de los impulsos. Durante años constituyó un enigma cómo los impulsos pasan de unas neuronas a otras hasta que se sustanció al descubrirse que unas moléculas, los neurotransmisores, eran sintetizados en las neuronas para ser liberados al final de las prolongaciones axónicas, las sinapsis. Los neurotransmisores activan a las neuronas postsinápticas induciéndolas, asimismo, a propagar el impulso.

FIG. 1

Imagen de dos neuronas interconectadas. Ambas exhiben la polarización descrita por Cajal: un árbol dendrítico que recibe impulsos (estímulos) y los conduce a la neurona siguiente.

Por un lado, Lashley propuso que un conjunto de neuronas conectadas constituirían el engrama de la unidad neural, capaz de sustentar la memoria. Aunque al final de su carrera tuvo que rendirse a la evidencia de no haberlo encontrado, el concepto subsiste y continúa siendo objeto activo de investigación. Por otro lado, Hebb, propuso, de forma especulativa, la regla que lleva su nombre, regla de Hebb, que predice las propiedades que debería reunir un engrama de memoria: «Cuando un axón de una neurona X libera neurotransmisor a una neurona Y mientras esta neurona Y está activada, tiene lugar algún cambio en la sinapsis entre X e Y, que permite que la futura acción de X sea más efectiva que antes». Hay que hacer notar el fundamento asociativo de la regla de Hebb, pues requiere que la acción de X (condición 1) se produzca cuando Y está activada (condición 2).

La regla de Hebb incorporaba unos elementos que se podían asimilar a los componentes de un circuito neuronal. De esta manera, los investigadores recibían una idea sobre lo que había que buscar. Además, esta propuesta sintonizaba muy bien con la teoría general de la información del ingeniero estadounidense, Claude Shannon, según la cual el soporte que se utiliza para transportar la información es de relevancia secundaria, ya que lo importante es la propia información. Este punto es destacable por varias razones: introdujo la conceptualización del cerebro como un procesador de información; permitió aproximar las posiciones de científicos procedentes de distintas disciplinas que asumían en mayor o menor grado la validez de la teoría de Shannon (por ejemplo, psicólogos, neurocientíficos, informáticos, etc.); igual que el cerebro en su conjunto podía ser concebido como un procesador de información, sus elementos podían ser los procesadores individuales, en los que buscar los componentes de la reglade Hebb.

Por tanto se generó una fuerte convicción de que los cambios conductuales asociados a la memoria deberían conllevar cambios en las neuronas subyacentes. Pero ¿qué significado podrían tener esos hipotéticos cambios? Los investigadores profundizaban en el conocimiento de la memoria macroscópica, es decir, de la conducta observable. Así concluyeron con la explicación de la teoría del conexionismo de Ivan Pavlov y Edward Lee Thorndike —psicólogo estadounidense, pionero de la psicología del aprendizaje—, según la cual el sistema nervioso estaba formado por una red, como la circuitería de nuestro cuerpo, con conexiones entre elementos que se reforzarían cuando se aprendiera una conducta o que, al contrario, se debilitarían cuando una conducta se olvidara. Pero ¿cómo se conducía una señal entre neuronas y cómo se comunicaban para que esa señal pasara de una a la siguiente? ¿Sería el cerebro distinto después del aprendizaje? No es posible entender los procesos de memoria sin detenerse brevemente en la comprensión de dos descubrimientos clave del funcionamiento neuronal: la excitabilidad y la sinapsis.

CÓMO FUNCIONAN LAS NEURONAS

Hasta que se avanzó en los conceptos de excitabilidad y sinapsis, las ideas sobre la relación entre las neuronas fueron especulativas. Se hablaba de irritación neuronal y de corrientes nerviosas que fluían como si las neuronas fueran materiales conductores por los que la electricidad discurría sin interrupción, como si se tratara de cables eléctricos unidos en una gran red. Una vez comprendida la naturaleza eléctrica del impulso nervioso, aún quedaba mucho por descubrir. Entre otros aspectos, la idea de las conexiones neuronales como una gran red eléctrica continua dificultaba comprender cómo era posible regular y controlar el tráfico del impulso nervioso. Con el tiempo, los nuevos hallazgos fueron explicando cómo podía ejercerse este fino control. Varias sorpresas aguardaban a los investigadores. Entre ellas, que el sistema nervioso no solo funcionaba por corrientes eléctricas, sino que existía otro componente químico, y que la red de las neuronas no era algo continuo como se había imaginado en un primer momento.

SINAPSIS Y COMUNICACIÓN ENTRE NEURONAS

La teoría conexionista era muy consistente con los descubrimientos del fisiólogo italiano Luigi Galvani sobre el papel que la electricidad jugaría en nuestro cuerpo. Galvani estimuló eléctricamente los nervios de la pata de una rana que, como consecuencia, se contraía. Así que la energía eléctrica parecía ser el vehículo de las señales. Los resultados de su compatriota Camillo Golgi confirmaban esta visión y dieron lugar a la teoría reticularista, basada en estudios microscópicos, que defendía que el sistema nervioso era una red que conectaba todas sus partes (sentidos, cerebro, músculos) permitiendo un comportamiento coherente. Conexionismo y reticularismo constituían una base explicativa consolidada ampliamente aceptada, pero con fisuras, porque algo había que no permitía avanzar y que mantenía la maquinaria subyacente como una caja negra. Y ese algo era que el reticularismo no era cierto, como demostró Santiago Ramón y Cajal al descubrir que el sistema nervioso no era una red continua, sino que estaba formado por células, como el resto de los sistemas corporales. Por lo tanto, las neuronas eran contiguas unas con otras, no continuas. La continuidad de la red se rompía en cada neurona interponiéndose un espacio con la siguiente. Pero Cajal se anticipó también en otro aspecto: en 1894 propuso una teoría, absolutamente vigente hoy, para el almacenamiento de la memoria: la memoria se almacenaría en el crecimiento de nuevas conexiones neuronales.

> SANTIAGO RAMÓN Y CAJAL Y LA CONTIGÜIDAD DEL TEJIDO NEURONAL

Santiago Ramón y Cajal en 1906, año en que recibió el premio Nobel de Medicina.

Es indudable que Santiago Ramón y Cajal es uno de los más grandes científicos de su tiempo; sus trabajos sentaron las bases de la neurociencia y con sus múltiples aportaciones al estudio de las células nerviosas abrió un abanico de posibilidades a la disciplina. Dedicó muchísimos esfuerzos a la observación histológica, que perfeccionó con las técnicas pioneras de tinción con cromato de plata que había iniciado Golgi (con quien compartió premio Nobel, en 1906) aplicándolas a tejidos embrionarios que permitían un mejor estudio. Más que solo un científico, puede considerarse el protagonista central de una revolución en la comprensión del cerebro al enunciar la teoría neuronal, que contravenía el conocimiento precedente, esclareciendo que entre neuronas no había «continuidad», sino «contigüidad». Por tanto, las neuronas eran células como las del resto del organismo pero especializadas estructural y funcionalmente en la propagación de impulsos. La polarización dinámica y el recorrido del impulso nervioso son también otras de sus grandes aportaciones, todas ellas formuladas en un estudio fundamental: El sistema nervioso del hombre y los vertebrados. Entre sus contemporáneos recibió un gran reconocimiento cuando su obra empezó a ser traducida a idiomas como el francés o el alemán, que por entonces eran los más utilizados por la comunidad científica. Por el impacto de sus trabajos, y a pesar del tiempo transcurrido, continúa siendo uno de los científicos más citados del mundo.

Del lado de la biología se produjeron las aportaciones cruciales de Otto Löewi, Henry Hallett Dale y Charles Scott Sherrington, que demostraron que la región de contigüidad entre neuronas demostrada por Cajal, la sinapsis, era un microórgano compartido y especializado en la función de comunicar unas con otras, siendo los mensajeros moléculas químicas, neurotransmisores que pasan desde una neurona hasta la siguiente.

Pero entonces, si la transmisión de señales entre neuronas es de naturaleza química, ¿le queda algún papel a la electricidad?

ELECTRICIDAD Y EXCITABILIDAD NEURONAL

La membrana celular separa el interior del exterior, dotando a las células de individualidad. Las células disponen de mecanismos para conservar en rangos adecuados las variables fisiológicas intracelulares. Algunas de estas variables tienen notables diferencias con las extracelulares, siendo de especial interés en el caso de las neuronas la asimetría intra-extracelular de los iones cargados eléctricamente. Esta asimetría genera una carga diferente a ambos lados de la membrana, determinando una electronegatividad del interior celular con respecto al exterior; en definitiva, una diferencia de potencial (potencial de membrana) como la que se encuentra entre los bornes de una pila, y con igual capacidad de generar un trabajo (fig. 2).

FIG. 2

Como puede observarse en la figura, la clave de la capacidad de las neuronas para propagar impulsos nerviosos radica en que están naturalmente constituidas como una batería eléctrica con dos polos entre los que hay una diferencia de potencial.

En las neuronas el trabajo es precisamente la excitabilidad: la capacidad de las neuronas para responder a un estímulo eléctrico con una respuesta de la misma naturaleza. Esta respuesta requiere intercambios puntuales entre los medios intra y extracelular de los iones (portadores de carga eléctrica) que pasan a través de poros de la membrana. Estos poros o canales se abren y cierran en respuesta a los estímulos que permiten que los iones atraviesen la membrana, modificando el potencial de la membrana porque arrastran su carga eléctrica. En los axones (las proyecciones de las neuronas que se dirigen a otras) se produce un cambio de potencial especializado, el potencial de acción, que se propaga a lo largo de los mismos. El axón es la herramienta de conducción de las neuronas, pudiendo extenderse a lo largo de metros hasta llegar al terminal de la neurona, la sinapsis.

En la sinapsis (presinapsis, en tanto se trata de una neurona que lleva la señal) se producen cambios eléctricos similares: un flujo de iones a través de canales que da lugar a un cambio en el potencial, siendo clave la entrada del ion calcio (Ca²⁺) que actúa como disparador de los procesos de liberación de los neurotransmisores. La neurona siguiente (postsináptica) dispone de receptores que activan la apertura y cierre de canales iónicos, que al igual que en el caso anterior producirán cambios de potencial. Si esos cambios son excitadores y alcanzan un nivel mínimo (umbral de disparo), se producirá un potencial de acción de iguales características que el de la neurona anterior; es decir, se propagará a la siguiente. Por tanto, se produce una cadena de una neurona a la otra, en la que alternan procesos eléctricos y químicos para que cualquier señal se propague desde su neurona de origen a su neurona de destino, pasando en la mayoría de los casos por una serie de neuronas intermedias.

Los potenciales sinápticos tienen propiedades de sumo interés. Mayores cantidades de neurotransmisores liberados producen mayores potenciales sinápticos, que pueden ser positivos (excitadores de la neurona postsináptica) o negativos (inhibidores). La suma de los potenciales positivos/excitatorios acercará a la neurona a su umbral de disparo, propagando el potencial de acción, mientras que los potenciales sinápticos negativos/inhibidores contribuirán a que la neurona se mantenga en silencio. Por ejemplo, en una neurona de la médula espinal que controla el movimiento de una fibra muscular de un dedo del pie, cuando se alcanza el umbral de disparo se propagará una señal eléctrica a lo largo de la neurona, de más de un metro de longitud, para finalmente llegar hasta el dedo y contraerlo. Se acepta que este tipo de mecánica (fig. 3) funciona para todas las neuronas del organismo, incluidas las que puedan ser responsables de las funciones superiores.

FIG. 3

Activación del potencial de acción

El potencial de reposo entre el interior y el exterior celular se altera cada vez que llega un impulso y se desencadena el potencial de acción (1) que se propaga a lo largo del axón. Al llegar este a la terminal presináptica fuerza la apertura de canales iónicos de calcio (2) que activan la liberación del neurotransmisor.

La liberación del neurotransmisor

La activación de los procesos de síntesis y liberación (3, 4) del neurotransmisor conduce finalmente a su liberación efectiva en el espacio sináptico (5), alcanzando a las porciones postsinápticas (dendríticas) de las neuronas que reciben el impulso.

La recepción del impulso

La neurona postsináptica dispone de receptores (6) que responden a los neurotransmisores. Esta respuesta significa cambios en su estado eléctrico, en su propia condición de pila o batería eléctrica, tal que, de nuevo, si se alcanza un determinado nivel de pérdida de la polaridad (7) se disparará otra vez el potencial de acción (8) que se propagará hasta la siguiente neurona.

Mecanismo de comunicación entre dos neuronas para posibilitar la propagación de un impulso nervioso.

Por tanto, cada neurona actúa como una unidad de integración-decisión: recibe contactos sinápticos capaces de modificar su potencial eléctrico, y solo si se alcanza el umbral de disparo se generará una señal propagada a la siguiente neurona en la cadena. La neurona integra todas sus entradas en cada momento y como resultado de ellas se tomará la decisión de que la señal pase a la siguiente neurona o se extinga en la primera.

Si mediante un ejercicio formidable de imaginación nos viéramos reducidos al tamaño de una célula que vaga entre las neuronas de un cerebro, y representáramos cada interacción sináptica (potencial sináptico) como una señal de color rojo y cada propagación activa (potencial de acción) como una señal verde, veríamos que a nuestro alrededor las sinapsis se iluminan de rojo con distinta intensidad varias veces por segundo, en cada ocasión durante varios milisegundos. De vez en cuando, pero casi siempre dentro de esa escala temporal, veríamos a algunas sinapsis alcanzando un rojo intenso y lanzando un destello verde y fugaz hacia quién sabe qué parte remota o próxima del propio cerebro o del resto del cuerpo (potencial de acción). El conjunto formaría una especie de caótico castillo de fuegos artificiales que poblaría nuestro cielo de distintas tonalidades de rojo y de mensajes verdes que se pierden en la distancia.

Si la experiencia es capaz de dejarnos su impronta en forma de memoria, es porque debe producir algún cambio en nuestras neuronas, como adelantaron Cajal y Hebb. Volviendo a la analogía anterior, si las neuronas integran entradas y deciden si envían o no una señal, tal vez puedan cambiar su decisión como resultado del aprendizaje. Reduzcamos de nuevo nuestro tamaño al de las células y fijemos nuestra atención en una neurona que está recibiendo un contacto sináptico que se ilumina de un rojo tenue repetitivamente, cada vez que le llega una señal. La neurona no lanza el rayo verde porque la intensidad del rojo no alcanza aún el umbral de disparo. De pronto, algo sucede: ese contacto recibe varias entradas muy seguidas; tal vez la persona a cuyo cerebro pertenece la neurona haya aprendido algo importante. Desde ese momento, el contacto se ilumina con un rojo deslumbrante y la neurona dispara una señal verde que se aleja en la distancia.

Como resumen, podemos decir que el conjunto de procesos que el cerebro ejecuta consiste en el tráfico de señales que saltan de una neurona a otra, con la particularidad de que no se trata de un tráfico continuo sino discontinuo, y cuyas interrupciones constituyen las sinapsis. En muchas neuronas estas interrupciones son modificables por el aprendizaje. Como una señal solo se propagará de una neurona a otra cuando se alcance un valor suficiente, la generación de señales propagadas puede ir cambiando dinámicamente (en la escala de los milisegundos) por la interacción del sujeto con el mundo, su experiencia. Esta dinámica puede parecer compleja por la escala temporal. Es difícil imaginar conscientemente procesos que se mueven en la escala de los milisegundos. Pero hay que añadir una dificultad adicional que deriva de la propiedad característica de las neuronas, que es su conectividad. Se trata de células dotadas de ricas arborizaciones que frecuentemente se proyectan desde los órganos de los sentidos, se extienden por distintas regiones cerebrales o son proyectadas desde el cerebro a los músculos ordenando los movimientos, que es lo que finalmente observamos. En esos recorridos algunas establecen miles de contactos sinápticos. Si se tiene en cuenta que en nuestro cerebro hay del orden de cien mil millones de neuronas (10¹¹), puede concluirse que el número de interacciones sinápticas es enorme; se considera que está en el orden de magnitud de los billones.

En este punto hay que hacer una pregunta clave: ¿cuál es la frontera entre el procesamiento cerebral normal y la memoria? La respuesta es que no existe. La información que se almacena en los engramas de memoria procede de la experiencia, de los órganos sensoriales, y esa experiencia es continua desde que se activa la funcionalidad de nuestros sistemas nerviosos en la vida fetal. Y continuamente se produce la asociación de nuevas entradas sensoriales con las preexistentes y la comparación con las memorias almacenadas. Si vemos una flor y decimos «flor» es porque tenemos una imagen en la memoria asociada con esa palabra y un engrama motor aprendido que nos permite utilizar la voz para decir «flor». La memoria no se ubica, como una extensión, encima de una hipotética función básica cerebral, sino que es un estado del funcionamiento cerebral. Si tuviéramos que clasificar nuestra conducta no lo haríamos verticalmente en función básica y función aprendida, sino horizontalmente en conductas reflejas innatas y conductas aprendidas, todas igualmente fundamentadas en el procesamiento neuronal que hemos descrito y con la particularidad de que las conductas reflejas innatas, programadas genéticamente (como el reflejo de succión de un bebé, el cierre del párpado ante un cuerpo extraño o la salivación en presencia de comida) pueden condicionarse en el sentido pavloviano, dando lugar también a respuestas aprendidas.

PATRONES DE ACTIVIDAD Y REPRESENTACIONES CEREBRALES

En la metáfora que manejábamos del minúsculo observador que observa destellos desde dentro del cerebro, una neurona cambiaba su disparo al modificarse su excitabilidad con el aprendizaje. Este caso explica bien mecanismos simples de puente entre la actividad neuronal y la conducta. Por ejemplo, una neurona que controla una fibra muscular establece una unión de tipo sináptico con ella. La neurona libera más o menos neurotransmisor e induce potenciales sinápticos en la fibra muscular que dependerán en su tamaño y forma de la cantidad y de la dinámica temporal de la liberación de neurotransmisor. El resultado será una contracción muscular más o menos intensa y más o menos duradera.

Este es el funcionamiento al nivel de la neurona, pero es más complicado cuando se involucran elementos complejos para representar la realidad en el cerebro. Además, dado que diferentes áreas cerebrales parecen estar especializadas en el procesamiento de propiedades específicas, puede decirse que un objeto dado podrá determinar la activación de múltiples neuronas. Por ejemplo, si tratamos de reconocer una flor, tendremos que procesar sus colores, su forma, su tacto, su olor. Estos elementos podrán interaccionar con los recuerdos sobre la flor que tengamos previamente almacenados. Por tanto, volviendo a la analogía del apartado anterior, como minúsculos observadores desde dentro del cerebro, al mirar la flor veríamos un conjunto de activaciones rojas y verdes formando un patrón tridimensional en distintos puntos del cerebro. Esa trama de activaciones, que estamos imaginando de colores rojo y verde, recibe el nombre de patrón de activación, equivalente a un engrama funcional como el que propuso Lashley. El patrón predominaría inicialmente en las regiones cerebrales que se conocen como sensoriales primarias, que son las que reciben los estímulos del exterior, y luego se activarían otras zonas, como aquellas en las que se almacena la información nueva y/o relevante. A la vez, el patrón interaccionaría con las regiones cerebrales relacionadas con la toma de decisiones y el diseño y ejecución de movimientos, que son la antesala del envío de mensajes de activación a nuestro aparato esqueleto-motor para que se produzcan acciones, así como con las regiones que almacenan recuerdos previos (fig. 4).

Debemos extraer dos conclusiones de muy alta relevancia. En primer lugar, la dificultad de investigar el cerebro deriva de esta complejidad que traduce el mundo y la experiencia, sensorialmente multimodales, en patrones de activación distribuidos. En segundo lugar, aunque tengamos la impresión de que nuestro cerebro contiene imágenes del mundo, lo que realmente contiene son patrones eléctricos de activación. Para nuestro cerebro no hay color, ni dolor, ni pasión, ni memoria, ni pensamiento, ni ninguna otra característica que nombramos conscientemente. Lo único que hay en nuestro cerebro son patrones eléctricos de actividad a los que se traduce nuestra experiencia sensorial, en los que se plasman las memorias y que se expresan en nuestra conducta. Los patrones de activación son representaciones de los distintos ámbitos del funcionamiento cerebral. Cuando vemos un objeto, se produce un patrón de activación/representación en nuestra corteza sensorial. Si tal objeto lo habíamos visto previamente, seremos capaces de nombrarlo porque el patrón procedente de la visión se comparará con los patrones almacenados en la memoria. O cuando realizamos un movimiento, se activa un patrón en las distintas regiones cerebrales responsables. Si estamos aprendiendo a montar en bicicleta, al principio vamos dando órdenes para controlar la acción y el equilibrio, es decir, producimos patrones de activación voluntarios que se comparan con la ejecución de los movimientos. Cuando ya hemos aprendido a montar, la ejecución es automática y el patrón de activación se hace inconscientemente.

FIG. 4

Procesamiento perceptivo

La información visual alcanza la corteza primaria occipital donde se produce el primer análisis de las imágenes. Desde ahí se proyecta a la corteza visual secundaria y a áreas asociativas donde se asocia con la información procedente de otras modalidades sensoriales para permitir constituir recuerdos.

La participación de la corteza prefrontal

La constitución de la memoria alcanza la corteza prefrontal, especializada en la planificación, ordenación de estrategias y conductas sociales, dando lugar a representaciones distribuidas en el cerebro que implican desde los componentes verbalizables (declarativos) al contexto sociocultural.

El sistema límbico y el componente emocional

El sistema límbico contribuye incorporando el componente emocional, particularmente centrado en la amígdala y la conexión con el sistema autonómico (hipotálamo) que dota a las memorias de correlato vegetativo.

Resumen gráfico de los procesos cerebrales que estarían implicados en un acto de memoria.

Imaginemos una matriz que simbolizase una serie de entrecruzamientos neuronales. Cada cruce equivadría a una interacción sináptica. Un conjunto de esas interacciones sinápticas (de amplitudes y signos dados) podría codificar un evento de la realidad, desde una letra a un objeto. Podría ser suficiente con que cambiara la amplitud o el signo de una única interacción para que esa matriz codificara algo completamente diferente. Ese mismo conjunto de interacciones podría cambiar como consecuencia de la experiencia, como se indica en uno de los entrecruzamientos (sinapsis), donde el potencial sináptico nativo ha sido reemplazado por otro de mayor tamaño. Naturalmente, cualquier variación en la realidad se dará en un espacio tridimensional y con geometrías tan irregulares como determinan las dimensiones reales de las neuronas. En una visión seguramente más próxima a la realidad, podemos considerar que las interacciones sinápticas de las neuronas constituyen conjuntos de redes dinámicas representando eventos, de modo que cada matriz puede solaparse con otras. Esto implica que una misma sinapsis puede participar en la representación de muchos eventos en la medida en que forme parte de distintas matrices de interacciones sinápticas. El gran número de interacciones sinápticas (hasta unas 5 000 por neurona) supone una cantidad enorme de posibilidades para el almacenamiento, dándonos una idea de la complejidad del problema.