Cómo la tecnología puede permitirnos ver y manipular recuerdos

La optogenética y las imágenes avanzadas han ayudado a los neurocientíficos a comprender cómo se forman los recuerdos y han hecho posible manipularlos.

por

• Joshua Sariñana página de archivo

25 de agosto de 2021

Hay 86 mil millones de neuronas en el cerebro humano, cada una con miles de conexiones, dando lugar a cientos de billones de sinapsis. Las sinapsis, los puntos de conexión entre las neuronas, almacenan recuerdos. La abrumadora cantidad de neuronas y sinapsis en nuestro cerebro hace que encontrar la ubicación precisa de un recuerdo específico sea un desafío científico formidable.

Descubrir cómo se forman los recuerdos puede ayudarnos a aprender más sobre nosotros mismos y mantener intacta nuestra agudeza mental. La memoria ayuda a dar forma a nuestras identidades, y el deterioro de la memoria puede indicar un trastorno cerebral. La enfermedad de Alzheimer roba a las personas sus recuerdos al destruir las sinapsis; la adicción secuestra los centros de memoria y aprendizaje del cerebro; y algunas condiciones de salud mental, como la depresión, están asociadas con el deterioro de la memoria.

Esta historia fue parte de nuestra edición de septiembre de 2021

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En muchos sentidos, la neurociencia ha revelado la naturaleza de los recuerdos, pero también ha cambiado la noción misma de lo que son los recuerdos. Las cinco preguntas a continuación hablan de cuánto hemos aprendido y qué misterios quedan.

¿Podemos ver los recuerdos en el cerebro?

Los neurocientíficos han observado el esquema básico de los recuerdos en el cerebro durante décadas. Sin embargo, solo recientemente pudieron ver la representación física duradera de un recuerdo, que se llama engrama de memoria. Un engrama se almacena dentro de una red de neuronas conectadas y las neuronas que contienen el engrama se puede hacer brillar para que sean visibles a través de microscopios especiales.

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

La memoria autobiográfica episódica se ocupa de lo que sucedió, dónde y cuándo. Se basa en el hipocampo, una estructura con forma de caballito de mar. Las memorias procedimentales, apoyadas en los ganglios basales, nos permiten recordar cómo llevar a cabo conductas habituales como andar en bicicleta. Esta región funciona mal en las personas con adicción. Nuestra capacidad para recordar hechos, como las capitales de los estados, es gracias a la memoria semántica, que se almacena en la corteza.

¿Qué herramientas nos permiten ver los recuerdos?

A finales del siglo XIX, los microscopios de mesa permitieron identificar neuronas individuales, lo que permitió a los científicos dibujar representaciones asombrosamente detalladas del cerebro. A mediados del siglo XX, los poderosos microscopios electrónicos podían mostrar estructuras sinápticas de solo decenas de nanómetros de ancho (aproximadamente el ancho de una partícula de virus). A la vuelta del siglo XXI, Los neurocientíficos utilizaron microscopios de dos fotones para observar cómo se forman las sinapsis. en tiempo real mientras los ratones aprendían.

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

Las nuevas técnicas también permiten estudiar cómo los impulsos nerviosos traducen la información externa a nuestros mundos internos. Para observar este proceso en el cerebro, los neurocientíficos usan pequeños electrodos para registrar los impulsos, que duran solo unos pocos milisegundos. Herramientas analíticas como algoritmos de decodificación neuronal luego puede eliminar el ruido para revelar patrones que indican un centro de memoria en el cerebro. Los kits de software de código abierto permiten que más laboratorios de neurociencia realicen este tipo de investigación.

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

Cómo las neuronas se vuelven parte de un engrama de memoria siguió siendo un misterio hasta hace poco. Cuando los neurocientíficos miraron más de cerca, se sorprendieron al ver que las neuronas compiten entre sí para almacenar recuerdos. Al insertar genes en el cerebro para aumentar o disminuir la excitabilidad de las neuronas, los investigadores aprendieron que las neuronas más excitadas en el área se convertirán 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. Es probable que esta competencia ayude a que se formen los recuerdos y muestra que la ubicación de los recuerdos en el cerebro no es aleatoria.

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En otros experimentos, los investigadores descubrieron que las redes neuronales se aferran a los recuerdos olvidados. Los ratones inyectados con un cóctel de inhibidores de proteínas desarrollan amnesia, probablemente olvidando información porque sus sinapsis se marchitan. Pero los investigadores descubrieron que estos recuerdos no se perdieron para siempre: las neuronas aún contenían la información, aunque sin sinapsis, no se podía recuperar (al menos no sin estimulación optogenética). Los ratones con enfermedad de Alzheimer mostraron una pérdida de memoria similar.

Otro hallazgo tiene que ver con cómo soñar fortalece nuestros recuerdos. Los neurocientíficos habían pensado durante mucho tiempo que, a medida que las experiencias del día se reproducían en forma de impulsos nerviosos durante el sueño, esos recuerdos se transferían lentamente del hipocampo a la corteza para que el cerebro pudiera extraer información para crear reglas sobre el mundo. También sabían que la corteza sintetizaba algunas reglas más rápidamente, pero los modelos existentes no podían explicar cómo sucedía esto. Sin embargo, recientemente, los investigadores han utilizado herramientas optogenéticas en 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 engramas de memoria inmaduros en la corteza, dice takashi kitamura , profesor asistente en el Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas. El hipocampo todavía le enseña a la corteza, pero sin las herramientas optogenéticas no habríamos observado los engramas inmaduros.

¿Se pueden manipular los recuerdos?

Los recuerdos no son tan estables como podrían parecer . Por su propia naturaleza, deben ser susceptibles de cambio, o el aprendizaje sería imposible.

Hace casi una década, los investigadores del MIT alteraron genéticamente a los ratones para que cuando sus neuronas estuvieran activas durante el aprendizaje, esta actividad activara el gen ChR2, que estaba atado a una proteína fluorescente verde. Al ver qué neuronas emitían fluorescencia, los neurocientíficos podían identificar cuáles estaban involucradas en el aprendizaje. Y podrían reactivar recuerdos específicos al arrojar luz sobre los genes ChR2 asociados con esas neuronas.

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

Eventualmente, los ratones asociaron el recuerdo de la caja triangular con las descargas a pesar de que solo recibieron descargas mientras estaban en la caja cuadrada. Los animales tenían miedo de un entorno en el que, técnicamente hablando, nunca había pasado nada 'malo', dice Steve Ramírez , coautor del estudio que ahora es profesor asistente de neurociencia en la Universidad de Boston.

No es factible usar tales técnicas que involucran cables de fibra óptica y láseres para experimentar en el cerebro humano, pero los resultados en los cerebros de los ratones sugieren cuán fácilmente se pueden manipular los recuerdos.

¿Podemos ver los recuerdos fuera del cerebro?

Los recuerdos humanos se pueden reconstruir visualmente usando escáneres cerebrales . En una investigación realizada por Brice Kuhl , que ahora es profesor asistente de neurociencia cognitiva en la Universidad de Oregón, se les dieron imágenes a las personas para que las vieran y se escanearon sus cerebros con una máquina de resonancia magnética para medir qué regiones estaban activas. Luego se entrenó un algoritmo para adivinar lo que la persona estaba viendo y reconstruir una imagen basada en esta actividad. El algoritmo también reconstruyó imágenes de participantes a los que se les pidió que mantuvieran una de las imágenes que veían en sus mentes.

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

La tecnología ha permitido a los neurocientíficos mirar dentro del cerebro 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 significa esto para nuestro sentido de quiénes somos?

Joshua Sariñana es neurocientífico, escritor y fotógrafo de bellas artes.