Almacenamiento neuronal de las emociones

La emoción puede acompañar a un evento vivido y memorizado. Pero puede que en la recuperación de la memoria no se halle la emoción primigenia o que al experimentar una vivencia emocional veamos que no esté acompañada del supuestamente “necesario” episodio asociado. Un recuerdo que tuvo su buena carga emocional lo podemos vivir, tras el paso del tiempo, con tranquilidad, ya que las condiciones del entorno son distintas de las que había cuando se grabó: ya no lloramos al pensar en la triste historia que nos contaron en una película. O quizás, sin saber cómo, nos invade una inexplicable y súbita tristeza motivada por algo que inconscientemente estamos viviendo y que remueve, también desde la inconsciencia, la experiencia guardada de la película. Lo cual quiere decir que sí, que episodio y emoción van emparejados pero no encadenados. Que la memoria de la emoción y la del episodio deben estar gestionados por diferentes agentes neuronales.^[1] Veamos, pues, cómo se graba una emoción.

Para analizar cómo se memorizan este conjunto de respuestas corporales que definimos como emociones… miedo, alegría, asco… será conveniente el saber qué es fisiológicamente una emoción. Para ello tendremos que dejar muy claro que hay dos aspectos de la emoción perfectamente diferenciables. No es lo mismo “padecer” simplemente una emoción que “percibir” esa emoción. Sería parejo al hecho de padecer el dolor o sentir el dolor. Hay una patología perfectamente conocida que es la de aquellas personas que no les duelen -sentimiento desagradable y no preciado- episodios que sí deberían provocar un rechazo. Saben que les duele, pero no les duele. Son capaces de diferenciar entre caliente y frío, por ejemplo, pero no notan que el agua caliente les quema la piel. Esto se conoce como insensibilidad congénita al dolor. Se les quemará un pie y se darán cuenta cuando huelan a carne asada, no antes. Saben que hay dolor, que debería haber dolor, pero no lo sienten. Lo que podemos trasladarlo a las emociones y pensar en personas que, por ejemplo, no experimenten miedo ante una situación de extremo peligro aunque sean conscientes del riesgo. Lo cual pudiera ser por una extrema fortaleza de carácter o por un defecto neuronal que les impide generar la emoción miedo. Las emociones pueden suceder somáticamente, pero no generar una percepción subjetiva.

Todo esto lo traigo a colación para que queden claras las dos caras de lo que llamamos “una emoción”. Ante un estímulo externo específico hay una reacción corporal que me lleva a sentir algo, no solamente a percibirlo. Ya en 1884 los psicólogos William James y Carl Lange se preguntaban si la emoción sentida era lo que provocaba la respuesta corporal o, al revés, si el hecho de correr escapando del oso era lo que nos hacía sentir miedo.^[2] Han corrido ríos de tinta alrededor de este tema, aunque parece que la opinión actualmente más reconocida se inclina por la siguiente flecha de eventos: un estímulo con potencial de carga emotiva provoca de forma inconsciente unas alteraciones orgánicas -casi todo debido a rapidísimos cambios hormonales- que al ser procesadas por el córtex prefrontal como un estado unitario corporal, una “foto” de mi cuerpo, se interpreta y se siente como un estado emocional a la vez que provocan una necesaria reacción motora: ¡algo hay que hacer! Podríamos decir que al unísono corremos con el corazón alterado para alejarnos del oso y sentimos miedo, aunque lo primero es causa de lo segundo.

Teoría de James-Lange sobre la sensación emocional (Imagen modificada de “Sociedade dos Psicólogos”, fair use)

Lo cual nos puede llevar casi de la mano a la siguiente idea: parece que lo que pasa es… estímulo emotivo → X→ sentimiento de una emoción, pero ¿qué es esa X que por lo general se demuestra como una constante para todos los que reciben el mismo o parecido estímulo? Incluso lo podemos observar en algunos animales -con toda seguridad en los mamíferos- aunque no tengamos ni idea de si en ellos se produce lo indicado por la segunda flecha. Hoy en día la opinión de muchos neurólogos al respecto se concreta en que todas las alteraciones orgánicas relacionadas con una emoción conforman un patrón único y específico que responde a una impronta neuronal. Es decir, va a estar diseñado según una serie de mapas neuronales preestablecidos que vienen bien en la carga genética de cada uno o que han ido perfilándose con la experiencia. Piénsese en la sonrisa -alegría- de un bebé de pocos días o la prevención al coger un vaso después de haberse quemado con el cacao del desayuno. A este tipo de patrones neuronales que ajustan un entorno de respuesta, en nuestro caso emocional, se les conoce como esquemas neuronales y serían semejantes a los patrones motores automáticos del tipo de ¿qué hago cuando toco un violín? Y es lógico que así sea, porque las respuestas emocionales son básicas en los afanes para la supervivencia, no en vano parecen las herederas de aquellos impulsos primordiales de acercarse a lo bueno o alejarse de lo peligroso. El organismo tiene que reaccionar rápido, sin indecisión y de forma eficiente. Y eso en un cerebro limitado y súper congestionado por la actividad, como es el del mamífero, tiene que ser resuelto sin trabas… es decir, tiene que estar prediseñado -es decir, neuralmente “precableado”- sin excesivo detalle aunque con el suficiente para ser exitoso. Si la evolución no nos hubiera llevado por esos vericuetos no estaríamos ahora para contarlo.^[3]

Por ejemplo, estamos en un restaurante y vemos cómo al salir de la cocina nuestro filete ha caído al suelo. El confiado camarero, pensando que nadie lo ve, lo recoge y lo devuelve al plato que llega a nuestra mesa. La simple visión de la jugada nos ha llevado a la sensación, consciente, de ¡qué asco! Apareció una necesaria emoción negativa. Consecuencia de algo que inicialmente pasó inconscientemente y en fracción de milisegundos: los músculos se nos tensionaron, respiramos más deprisa mientras el corazón se desbocó, sudamos ligeramente, fruncimos el ceño como diciendo ¡eso no entrará ni por los ojos ni por la nariz! y, por si eso no fuera efectivo, entramos en un estado de malestar intestinal que colapsa nuestros deseos de comer. Todo se inició con unos cambios hormonales ordenados por la amígdala, coordinados por el hipotálamo y accionados por la glándula hipófisis, un eje siempre alerta. La rapidez con que eso sucede y la repetitibilidad del proceso en nosotros en otros individuos es lo que nos lleva a pensar en un procedimiento impreso, lo suficiente aunque no sea perfectamente operativo. Un esquema emocional. La pregunta ahora sería ¿dónde se encuentran guardados esos esquemas?, ¿en qué zona neuronal de memoria?, ¿todo funciona como resultado de la actividad en la memoria de trabajo, la cual va tirando de recursos que se encuentran en las regiones de memoria implícita? No se sabe muy bien, aunque todas mis lecturas me llevan a pensar que en esta última pregunta está la respuesta. Es decir… memoria de trabajo más memoria implícita. Y si recordamos lo que hablamos en entradas anteriores, aquí y aquí, la memoria implícita se encuentra repartida en áreas perceptivas y cognitivas superiores, con un lugar muy concreto que es el hipocampo, mientras que la memoria de trabajo está repartida desde las zonas perceptivas más primarias hasta el polo frontal. Recordad que todo es el resultado de una gestión en la que intervienen corrientes bottom-up -de zonas neuronales primarias a las superiores- moduladas por las órdenes ejecutivas que siguen el top-down.

Hasta ahora hemos hablado de dónde puede esconderse la memoria de las emociones per se. Es evidente que una experiencia “con emoción”, dibujada tras la llegada de un estímulo emotivo por los esquemas emocionales que hemos mencionado, queda añadida, encolada en nuestra memoria biográfica como parte de la propia experiencia de base. Ante la experiencia del ahora o el recuerdo de un pasado o la proyección inventada de un futuro, la emoción vivida, o supuestamente a vivir, juega un papel fundamental. Es parte indeleble de la experiencia guardada. Es más, es parte fundamental para que la experiencia quede fijada de forma más o menos indeleble, o que su recuperación sea más o menos asequible. Idea que nos transporta al envés de la moneda del tema memoria y emoción, como anunciamos en el primer párrafo de esta entrada.

Cómo la emoción influye en la fijación de la memoria

Hay infinidad de estudios acerca de esta materia que, por otro lado, se nos antoja más que evidente.^[4] Las emociones son una especie de marcadores somáticos que nos alertan… y mejor será recordarlos. Pero la curiosidad es más que evidente también, ya que para el estudioso del tema el cómo influyen los matices emocionales en la consolidación, grabado o recuperación de la memoria debe ser algo así como un agujero negro ¿Por qué caminos circula la corriente de la fijación o el rescate de lo memorizado? ¿Cuáles son los correlatos neurales de la pareja emoción-cognición/memoria?

Una de las vías para el estudio es el uso de imágenes cerebrales por resonancia magnética de un individuo experimentador ante una batería de experiencias preparadas expresamente para provocarle emociones y sus consecuencias. Hay estudios en los que se tienen en cuenta edades y sexos de los “testeados” o incluso que correlacionan estados sociales con la fijación emocional de la memoria. Pero creo que lo realmente interesante y decisorio a la hora de llegar a conclusiones es el categorizar la emoción, de forma que variando esas categorías se pueda obtener una imaginería neural cambiante que pueda ser correlacionada. Para ello, a la emoción se la caracteriza de acuerdo a dos ejes: uno que tiene que ver con el grado de excitabilidad -me saca de quicio vs. ni me inmuta- y otro eje que tiene que ver con la valoración -me gusta vs. no me gusta-. Advertid que los dos ejes los podemos imaginar perpendiculares dibujando cuatro cuadrantes, de forma que una emoción llevará implícita uno de los cuatro emparejamientos posibles. Puede ser a la vez enervante aunque placentera, o tal vez amorfa pero desagradable. Como he dicho, hay mil baterías de pruebas al respecto, con más o menos matices y propósitos, lógicamente, pero que a los efectos que nos interesan, los correlatos neuronales de la memoria emocional, concretan las siguientes conclusiones.

Papel central de la amígdala, no sólo en las tareas del reforzamiento por la emoción, sino también en la función de otros tipos de memoria (PFC corteza prefrontal, MTL lóbulo temporal medial -interno- y HPA eje hipotálamo-pituitaria (hipófisis)-adrenal) (Imagen de la publicación “Cognitive neuroscience of emotional memory“, figura 1, Kevin S. LaBar y Roberto Cabeza, 2006, Nature Publishing Group, fair use)

Dichos estudios acerca de la memoria emocional declarativa -explícita- muestran que hay una serie de regiones cerebrales fronto-temporales que actúan conjuntamente para promover la retención de sucesos emocionalmente excitantes y para recuperarlos desde el almacenamiento de la memoria a largo plazo. Se ha comprobado repetidamente que ese proceso de mejora de la memoria gracias a la intensidad emocional implica interacciones entre estructuras subcorticales y corticales y la conjunción de acción entre los sistemas hormonales cerebrales y periféricos, los cuales son coordinados por la amígdala.^[5] Con la curiosidad de que en esa mejora de memoria parece no tener demasiada importancia el hecho de que sean emociones percibidas como agradables o como desagradables: se recuerda mejor desde un estado de excitación que desde un estado placentero.

Parece existir la evidencia de que los mecanismos que intervienen en la mejora de la memoria por efecto de la emoción se desarrollan fundamentalmente por dos vías: una basada en el lóbulo temporal medial -interno- en el que participarían otras estructuras como la amígdala, el hipocampo y las cortezas rinales;^[6] y otra fuera de la corteza temporal medial, que involucraría al córtex prefrontal. Estos dos mecanismos parecen tener contribuciones que se pueden disociar a efectos de mejora de la memoria inducida por la emoción. Serían vías complementarias. En la primera vía la amígdala y la corteza temporal medial actuarían en las fases de codificación, consolidación y recuperación de la memoria como parte de los mecanismos neurohormonales básicos y directos siguiendo una vía bottom-up;^[7] mientras que en la segunda vía la corteza prefrontal actuaría de forma indirecta en la mejora de la memoria como parte de una vía top-down, al mejorar los procesos cognitivos de la memoria o de la atención que beneficiarían a la memoria explícita sin la participación clave de la amígdala. Si bien ambos mecanismos son sensibles al grado de excitación de la emoción, como ya se ha comentado, el mecanismo indirecto también es sensible a la valencia de la emoción -la escala emocional de agradable a desagradable- así como a la relevancia social de los estímulos emocionales. En lo que encuentro una cierta lógica, ya que esos matices son muy cognitivos y poco temperamentales, lo que constituiría el alma de la vía directa.

Diagrama que resume los correlatos neuronales del efecto de mejora de la memoria por la emoción, como resultado de estudios de imágenes cerebrales (Imagen de la publicación “The fisics of the main and brain disordesrs”, capítulo 14 “Factors Influencing Opposing Effects of Emotion on Cognition: A Review of Evidence from Research on Perception and Memory”, figura 14.2, Florian Dolcos et al., 2017, Springer, fair use)

En resumen, las evidencias disponibles sobre el hecho de que se produzca una mejora de la memoria episódica gracias a la influencia de estímulos emocionales apuntan a la participación, con todas sus posibles  interacciones,^[8] de mecanismos bottom-up/directos, que involucran principalmente a las regiones de memoria de la amígdala, la corteza temporal medial -como el giro parahipocampal y el giro fusiforme-^[9] y ciertas cortezas anexas -cortezas rinales e hipocampo-; y de mecanismos top-down/indirectos, mediados principalmente por la corteza prefrontal y otras regiones corticales como, por ejemplo, la corteza cingulada anterior,^[10] la corteza temporo-occipital, la corteza parietal, la corteza insular,^[11], cuando los estímulos son de tipo sociales y tienen connotaciones emocionales negativas, o las cortezas orbitofrontal y frontal medial, en el caso de estímulos con connotaciones emocionales positivas.

Con este resumen doy por finalizada esta entrada acerca de la memoria y las emociones, y también la miniserie de cinco capítulos a lo largo de los que he tratado de dar una visión de la fisiología y anatomía que acompaña a los misteriosos procesos neuronales que dibujan la memoria y la emoción.

Nota adicional: acabada de escribir esta entrada he tenido la oportunidad de leer una interesante artículo^[12] que afirma que cuando sentimos alegría, enfado, tristeza, euforia o melancolía, entre otras emociones, el cerebro procesa la experiencia a través de una pequeña región de la corteza llamada unión tempo-parietal, el lugar en el que se encuentran el lóbulo temporal y el lóbulo parietal del cerebro. Las emociones no serían algo diferente de los procesos cognitivos, ya que los procesos cerebrales que rigen la percepción de las emociones son los mismos que procesan la información de los sentidos. Eso significa que el proceso cognitivo que nos permite interpretar nuestro entorno a través de los estímulos que proceden de los sentidos es el mismo que usamos para procesar las emociones. ¿Las emociones serían entonces similares a un quale^[13] como sentir la amarillez de los limones? ¿Al igual que el “homúnculo”^[14] del córtex somatosensorial habría un plano neuronal físico emocional? Si fuera así sobrepasaría lo afirmado acerca de los esquemas neuronales que conforman la emoción y abriría un nuevo e inexplorado camino de investigación, esperanzador o terrorífico, sanador o manipulador. 

Nota final: En este enlace podéis encontrar un pdf que aglutina las cinco entradas de esta miniserie ¡Hablemos de la memoria!

1. Adelantamos aquí la solución del misterio diciendo que la memorización y recuperación del episodio forma parte de los procesos de memoria explícita/implícita, por tanto próximo al hipocampo, mientras que la emoción es patrimonio de la amígdala. Su conjunción se consigue gracias a la memoria de trabajo. Recomiendo, si aun no los has hecho, el releer las entradas anteriores de esta serie.
2. Su opinión se conoce como la teoría de James-Lange y ciertamente se manifestaban partidarios de que como respuesta a las experiencias y estímulos, el sistema nervioso autónomo crea respuestas fisiológicas (tensión muscular, lagrimeo, aceleración cardiorrespiratoria…) a partir de las cuales se crean las emociones y no al revés, como parece dictar del sentido común, en donde la percepción conllevaba una emoción y ésta provocaba una reacción fisiológica.
3. Para saber un poco mejor el detalle de los esquemas emocionales acudid al libro de Joseph LeDoux “The deep history of ourselves“, capítulo 64, Viking, 2019.
4. Entre otros muchos ”Cognitive neuroscience of emotional memory“, Kevin S. LaBar y Roberto Cabeza, 2006, Nature Publishing Group; o “Factors Influencing Opposing Effects of Emotion on Cognition: A Review of Evidence from Research on Perception and Memory“, Florin Dolcos et al., 2017, Springer; o “Neural correlates of emotional memories: a review of evidence from brain imaging studies“, Florin Dolcos et al., 2012, Psychologia.
5. Por sistemas hormonales entendemos las glándulas secretoras de hormonas y sus interrelaciones. En el texto hemos distinguido entre las cerebrales -hipófisis y pineal- y las periféricas -las que están en el resto del organismo, como por ejemplo la tiroides, el páncreas, las suprarrenales, las gónadas…
6. Por cortezas rinales entendemos una serie de cortezas cerebrales antiguas -entorrinal y perirrinal- que rodean el sistema olfativo y que, entre otras cosas, son decisivas en la fijación de ciertas memorias.
7. La amígdala desencadena la liberación de hormonas del estrés a través del eje hipotalámico-hipófisis-adrenal que se retroalimenta sobre los lugares donde se consolida y almacena la memoria, así como sobre la amígdala en sí misma para mejorar la memoria en intervalos de tiempo más largos.
8. Hay que recordar que los centros neuronales que constituyen estas vías quizás manifiesten funcionalmente unos caminos preferentes, arriba y abajo, lo que no quiere decir que no estén conectados entre ellos. Nada más alejado de la realidad ya que en el cerebro las interconexiones son su fundamento.
9. Un giro (en latín: gyrus) es cualquiera de las elevaciones tortuosas -la especie de morcillas- que conforman la típica superficie del cerebro y que se producen al plegarse la corteza. Están limitados y definidos por los surcos (en latín: sulcus). En particular el giro fusiforme se trata del giro situado en la parte inferior e interior del lóbulo temporal mientras que el fusiforme se sitúa junto a él y al hipocampo.
10. La corteza cingulada es una parte de la cerebro situado en el interior de la corteza cerebral, por debajo del neocórtex externo -la zona de giros y surcos- e inmediatamente por encima del cuerpo calloso, la gran autopista de axones que une los dos hemisferios cerebrales.
11. La corteza insular o simplemente ínsula, es una estructura del cerebro humano que se encuentra ubicada profundamente en la superficie lateral del cerebro y que separa las cortezas temporal y parietal inferior.
12. Es el siguiente artículo “Emotionotopy in the human right temporo-parietal cortex“, Giada Lettieri et al., Nature Comunications, 2019.
13. Los qualia (singular: quale, en latín y español) son las cualidades subjetivas de las experiencias individuales.
14. Un homúnculo cortical es una representación pictórica de las divisiones anatómicas de la corteza motora primaria y la corteza somatosensorial primaria, que correlaciona directamente zonas específicas del córtex responsables del movimiento y el intercambio de información sensorial y motora del cuerpo, con zonas específicas del organismo.

Por su claridad traigo aquí las palabras de quienes propusieron por primera vez la idea de memoria de trabajo. En su libro “Planes y la estructura del comportamiento” (1960) los psicólogos George A. Miller y Eugene Galanter y el neurólogo Karl H. Pribram decían: “… nos gustaría hablar de la memoria que utilizamos para la ejecución de nuestros Planes como una especie de acceso rápido, “memoria de trabajo”. Puede haber varios Planes, o varias partes de un solo Plan, todos almacenados en la memoria de trabajo al mismo tiempo. En particular, cuando un plan se interrumpe por los requisitos de otro plan, debemos poder recordar el plan interrumpido para reanudar su ejecución cuando surja la oportunidad.” Parece que todo deba girar en torno a dos principios y una omnipresencia mientras mantenemos activos varios inputs a la vez: Fijar la atención preferentemente en uno de ellos y dejar a los otros en estado de espera. Mientras, se van realizando juegos malabares dirigidos por una jerarquía de intereses.

Hay varios modelos que intentan explicar la memoria de trabajo, aunque todos estos modelos postulan la misma norma general: cuando se nos presenta una información que precisamos recordar (por ejemplo, una lista de nombres o un número de teléfono), se inicia un proceso de reconocimiento perceptivo acudiendo a sus representaciones que se encuentran almacenadas en la memoria a largo plazo. Una vez reconocida la información particular posteriormente se pasa, a la par de otros inputs que ya estaban en la memoria de trabajo, a mantenerla mediante la atención en un estado de “activo”, hasta que esta información ya no sea necesaria para lograr algún objetivo próximo. Estos cambios en el “uso” de los inputs que permanecen simultáneamente en mayor o menor grado activos, se producen por señales decisorias de las cortezas superiores, que seleccionaran la información más relevante para la consecución de un objetivo vital del momento.

Se suele afirmar que la actividad mental se desarrolla en base a la labor de dos tipos de subsistemas: los que desarrollan funciones especializadas y los que desarrollan funciones generales.^[2] Los primeros, como su nombre indica, están especializados en un tipo muy concreto de información, como es el caso de los sistemas perceptivos altamente especializados en sus dominios de actividad: vista, olfato, tacto… Los segundos pueden acometer diversas tareas o trabajar con diferentes entradas a la vez. En este segundo mundo se encuentra la memoria de trabajo, casi como paradigma, ya que lo mismo sirve biológicamente para un roto que para un descosido, siempre cambiando de foco y prioridad en la tarea, buscando el mejor ajuste con la realidad. A su vez la memoria de trabajo, a la que también me gusta llamarla usando su afección anglosajona de working memory, requiere el despliegue de varias habilidades: [1] está claro que necesitará una “pizarra”, una hoja en donde escribir los datos del momento particular, moverlos, dejarlos a la espera, intercambiarlos, correlacionarlos, fundirlos, borrarlos o aceptarlos de nuevo; y [2] desarrollar las instrucciones a seguir para hacer su labor, que no es otra que proponer en cada momento respuestas vitales, ya sean motoras o cognitivas. A la primera faceta la llamamos el espacio de trabajo o almacenamiento temporal, la pantalla que no sólo es pantalla, ya que lleva también consigo un trabajo mental; mientras que a la segunda faceta se la conoce como las funciones ejecutivas.^[3]

Además, para desarrollar su función la memoria de trabajo requiere ser alimentada con datos que obtiene de los sistemas perceptuales -vista, oído, propiocepción…- y/o motores; así como de la memoria tanto explícita como implícita/procedimental;^[4] manifestándose también imprescindible el especial bucle de lenguaje interno que usamos en cualquier actividad mental consciente (y quizás también inconsciente).^[5] Con todo ese material el “módulo” de funciones ejecutivas está continuamente gestionando, iniciando por:

• fijar la atención sobre aquellos estímulos que puedan ser significativos, ya sean reales o desde las memorias;

• despachando qué sistema neuronal debe “activarse” -imagen, dolor, sabor… memorias…- y cuál no, dependiendo del interés que prime en el instante;

• manteniendo información -neuronas activas- en standby -a la espera- aunque el estímulo inicial se haya difuminado;

• comparando y quizás integrando continuamente esa información “en espera” con nuevos estímulos relevantes;

• actualizando la memoria con los datos que recibe del momento y de su propia gestión interna;

• esforzándose por los vericuetos de la planificación necesaria

• para llevarle a decidir cuál pueda ser un camino potencialmente posible, y así

• proponer, en consecuencia, las acciones más adecuadas, incluso modificando el rumbo sobre la marcha cuando aparecen obstáculos no previstos.

La importancia del lóbulo prefrontal

Podríamos pensar que todo parece muy lógico, que la forma que tiene de funcionar la memoria de trabajo es muy evidente, pero que tiene que exigir una dinámica neuronal sumamente compleja. Porque realmente precisará de la participación de buena parte del encéfalo entre la toma de datos y su variada y ajustada gestión en cada momento. Las múltiples cortezas sensoriales en el neocórtex; los centros de memoria también en las cortezas neuronales primarias y sobre todo en la parte interna del lóbulo temporal (hipocampo); el entorno amigdalar gestionando emociones; así como el lóbulo prefrontal, que ya sabemos que es el lugar de la actividad racional capaz de despachar las especiales habilidades ejecutivas que exige el buen funcionamiento de la memoria de trabajo.

Múltiples experimentos han demostrado que las redes de neuronas ubicadas en cualquier parte del cerebro pueden potencialmente almacenar información que puede activarse al servicio de un comportamiento dirigido a la consecución de objetivos. En ese sentido sabemos con seguridad que, en el hombre, áreas de la corteza prefrontal permanecen activas cuando se están llevando a cabo acciones ejecutivas y cuando se lleva a cabo la gestión temporal de información, el paradigma de la actividad de la working memory. En cierto sentido es lógico, ya que el córtex es un tejido neuronal con una arquitectura^[6] que facilita la puesta en servicio de alguna de las características ya comentadas de la memoria de trabajo: el mantener zonas neuronales en un activo standby y el favorecer la atención sobre eventos importantes o sorprendentes, es decir, un apropiado espacio de trabajo. La especial configuración de la corteza cerebral en varias capas de neuronas, cada una con sus cometidos, dibuja un patrón de conexionado interno mucho más rico que el de entrada/salida. Las abundantes relaciones internas hace que los inputs que entran en ellas se refuercen y perduren en el tiempo con cierta facilidad, hasta minutos, lo que sin duda es un factor positivo para el standby neuronal: las neuronas permanecen activas en el espacio de trabajo aunque la atención se desvíe temporalmente.

Por otro lado, en esas regiones la dopamina parece realizar una cierta función inhibitoria, directamente en las sinapsis o ralentizando el paso de los potenciales de acción desde las dendritas a los cuerpos neuronales. Ello puede interpretarse como que la inhibición sobre las neuronas las va a hacer “insensibles” frente a hechos poco relevantes que lleguen de nuevo, manteniendo así el foco sobre la tarea que estén realizando en el momento o focalizándose en una nueva con suficiente “fuerza” para que la consideremos impactante o importante. La atención indispensable para el trabajo de la memoria de trabajo queda, si no servida, al menos fortalecida. Mirando este esquema general con un zoom, observamos que en la corteza cerebral hay dos tipos relevantes de receptores dopaminérgicos, el D1 y el D2, cuya actividad conlleva resultados diferentes y antagónicos. Si la liberación de dopamina se realiza de forma persistente, actúan los mediadores D1, mientras que si la liberación es transitoria actúan los D2. Lo que ha dado pie a proponer una teoría dual de la función que la dopamina ejerce en la corteza prefrontal, que establece que un estado dominado por los mediadores D1 favorece el mantenimiento robusto de la información que está en el foco del momento, mientras que un estado dominado por D2 es beneficioso para un cambio flexible y rápido entre los otros, o nuevos, estados activos presentes. Es decir, unos mantienen las representaciones y otros servirían como una señal de activación, que indica cuándo se deben codificar y mantener nuevas entradas, o cuándo se deben actualizar las representaciones mantenidas actualmente.^[7] De nuevo la memoria de trabajo en estado puro.

Y no nos olvidemos, lo que se desvela como esencial para la gestión de las funciones ejecutivas, que hay fundadas evidencias acerca de que la corteza frontal presenta una organización funcional jerarquizada desde sus posiciones anteriores -las más frontales- hacia las localmente más posteriores mientras está gestionando las posibles acciones. Parece como que lo que está representado por la corteza prefrontal es información de orden superior, tal como reglas para llevar a cabo tareas, objetivos o representaciones abstractas, en comparación con lo que está representado por las cortezas “inferiores” que pueden ser características más específicas y concretas del estímulo. Es decir, que la actividad sostenida en la corteza prefrontal no refleja el almacenamiento de representaciones per se; refleja el mantenimiento de representaciones de alto nivel que proporcionan señales top-down que pueden guiar el flujo de la actividad a través de las redes cerebrales más unimodales.^[8] Así que la corteza prefrontal, gracias a esas vías de retorno top-down hacia las cortezas sensoriales primarias, les envía instrucciones para que estén atentas y focalizadas en la información que ocupa la actividad de la memoria de trabajo.

Está bien… la corteza cerebral es un buen sitio para que la memoria de trabajo desarrolle su función de malabarista de datos. Pero ¿qué lugar específico de la corteza es el que está especializado para ello? Pues bien, solo se tiene una idea aproximada que las acota conceptualmente, aunque es probable que haya numerosos mecanismos neuronales que pueden hacerlo y muchos, probablemente, operan en paralelo. Por ejemplo, si enfocamos sobre lo qué opinan los expertos acerca de las funciones ejecutivas, observamos que las propuestas están relativamente acotadas en línea con los párrafos anteriores, ya que parece que no haya un área única y exclusivamente dedicada a estas funciones, sino más bien que hay varias interconectadas y que se extienden a lo largo y ancho de múltiples regiones de la corteza frontal, como serían la corteza prefrontal lateral o la más interior corteza cingulada anterior. Pero en el caso de las áreas de trabajo hay opiniones contrapuestas entre los que defienden que el almacenamiento temporal se lleva a cabo en regiones con cometidos específicos dentro del córtex frontal y los que dicen que en esas regiones especializadas hay algunas neuronas que, sin participar de esa especialización, trabajan conjuntamente entre ellas formando un sistema distribuido que media el almacenamiento temporal.

Pero no sólo se retiene la información en espera en la corteza prefrontal, sino que parece ser que en gran medida esa habilidad se sustancia en las áreas perceptivas más primarias bajo la batuta de las áreas superiores corticales. Eso se explicaría gracias al tipo de gestión ya citado bottom-up y top-down con los que se manejan los procesos cognitivos (y de los que hablamos en la entrada anterior). Voy a repetir aquí la esencia de este tipo de gestión. El cerebro está completamente interconectado y se habla a todos los niveles. Los primeros pisos detectan información de forma parcial, información que se va integrando a medida que asciende la escala de fusiones multimodales (vía lenta, ver figura anterior). No precisamente en un proceso continuo hasta llegar al top de la corteza prefrontal, sino que continuamente las cortezas superiores se informan y modulan, mediante señales descendentes (vía lenta), lo que se va construyendo en las primeras etapas más bottom. En estas últimas se da como el borboteo lento y pausado de un hormiguero, donde cada animal realiza su función ciega, parcial y momentánea, pero útil para el conjunto. Las áreas neuronales perceptivas, motoras o de memoria, unimodales -o de un orden bajo de integración-, no darán un paso adicional hasta que desde las “alturas”, gracias a la capacidad que el top tiene de integrar esas informaciones parciales, con un chisporroteo continuo y generalizado perfilen la labor de las áreas bottom, que quedarán trabajando, informando y esperando nuevas instrucciones.

Con eso podría dar por finalizada esta entrada monográfica sobre la working memory. Pero me resisto a ello, ya que esta memoria tiene connotaciones mucho más profundas que las ya adelantadas más arriba, como sería el fijar la atención, pensar, planificar, decidir, proponer… porque en el fondo, con ellas, estamos hablando de la base de la Cognición. Más aún, la memoria está en la base del YO y especialmente la memoria de trabajo, que se posiciona en la base del Yo autobiográfico, del lenguaje y, por tanto, de la Consciencia. La memoria es la referencia que tenemos para que nuestro propio Yo interactúe con el medio. La memoria de trabajo nos permite hablar, nos permite sentir las emociones, nos permite desarrollar habilidades tecnológicas. La memoria de trabajo es el plató donde se maneja e intercambia la información relevante, se hace mutis por el foro, se encadena en lugar y tiempo todos aquellos datos que definen nuestra biografía, el pasado, el presente y el imaginado futuro, imprescindible para que podemos llevar a cabo toda actividad racional. Repito… la base de nuestra consciencia, lo que confiere a nuestro Yo el reflejo de lo humano.

Acabo con unas frases del neurólogo Antonio Damasio extractadas de su libro “Sentir lo que sucede“:^[9] “… la consciencia ampliada es la habilidad de generar una sensación de perspectiva individual, propiedad y agencia…” (pág. 220)… “… permite que los organismos humanos alcancen la cima de sus habilidades mentales.” (pág. 253)… “… [no] es igual a memoria de trabajo, aunque esta es un instrumento importante en el proceso de aquella. La consciencia ampliada depende de la capacidad de mantener en la mente, por periodos importantes de tiempo, los múltiples patrones neurales que describen el self [Yo] autobiográfico. La memoria de trabajo es precisamente la habilidad para conservar imágenes en la mente durante periodos de tiempo que permitan su manipulación inteligente.” (pág. 221)

Esta miniserie finalizará con un artículo que tratará sobre la memoria emocional. Mientras tanto, hasta luego.

1. Lo mismo que me he enfocado con un momento de lectura podía haber puesto como ejemplo el hecho de hacer una operación matemática mental, o estar en la cocina mientras preparamos la comida siguiendo una receta, o jugando un partido de fútbol.
2. “Synaptic self: How our brains become who we are“, Joseph LeDoux, página 176, Viking, 2002.
3. Este cuerpo de ideas, una memoria de trabajo dinámica, fue propuesto en 1974 por los psicólogos británicos Alan Baddeley y Graham Hitch. En este enlace podéis leer un pdf de su publicación original.
4. Ver la entrada anterior de esta serie para entender mejor esos tipos de memoria.
5. Ese bucle se pone de manifiesto claramente si nos hacemos la simple pregunta: ¿cuántos regalos me dieron en mi cumpleaños? Inmediatamente nos damos cuenta de que estamos haciendo un relato con palabras de todos ellos; sin ese relato casi no podemos ni respondernos.
6. Ya hablamos en otra ocasión en este blog de El Cedazo (por ejemplo, aquí) acerca de la especial arquitectura de la corteza cerebral, ordenada por módulos casi independientes, las columnas corticales, con “estratos” en su interior definidos por el tipo de neuronas y de función.
7. Para una mayor información acerca de esta teoría dual acudir al artículo “Dopamine-Mediated Stabilization of Delay-Period Activity in a Network Model of Prefrontal Cortex“, Daniel Durstewitz et al., Journal of Neurophysiology, 2000.
8. Hablamos de las corrientes top-down y bottom-up en la entrada anterior. Para una mayor información ver el artículo “The cognitive neuroscience of working memory“, Annual Review of Psychology, 2015.
9. “Sentir lo que sucede“, Antonio R. Damasio, Editorial Andrés Bello, 2000.

Alegoría de la memoria (Imagen de la red, fair use)

Hablemos, pues, de la memoria explícita. Presenta dos “aromas” muy diferentes, ya que si analizamos nuestra propia memoria reconocemos que recordamos cosas y recordamos historias. Cosas como qué es “manzana” o lo que implica la palabra “ninguna“. Y recuerdos de nuestra propia historia vivencial y todo lo anexo… “hoy me comí alguna manzana para desayunar”. Con los conceptos he hecho una película personal. Los expertos conocen a esas memorias, respectivamente, como semántica y episódica. No son dos caras de una misma moneda, son más bien dos monedas diferentes que se miran y se hablan. Podéis imaginar que eso es una alegoría de la realidad que se concreta en dos diferentes circuiterías neuronales que coinciden en buena parte.

Si habéis leído la serie que apareció en este blog de El Cedazo, “Los sistemas receptores”^[1] os sonará que hablamos de dos vías para la visión, la del “qué” y la del “cómo“. Partiendo de la corteza visual primaria situada en la parte más posterior del cerebro, el “qué” avanza, digamos que horizontalmente, a través del lóbulo temporal y la del “cómo” verticalmente hacia el lóbulo parietal. Ese “qué” y ese “cómo” visuales parecen hacernos de embajadores en dos barrios de negocios del encéfalo que sobrepasan lo estrictamente visual: el primero hacia el área de categorización y conceptualización de lo percibido, recordado o imaginado, hacia el reconocimiento de caras y objetos; mientras que el segundo nos lleva al área de dónde estamos, cómo nos movemos y se mueven, qué relaciones hay con lo demás, nuestra posición en el espacio-tiempo, raíces de la atención, nuestro anclaje del Yo personal, la diferenciación con el Otro, el  movimiento mental en el tiempo, algunas raíces de la teoría de la mente… y muchas más basadas en el Yo. Quizás lo anterior parezca mucha paja erudita… pero con ello solo he pretendido hacer ver que las vías del “qué” y del “cómo” parece que se extiendan más allá de lo estrictamente visual.

Esquema aproximado de las vías visuales del “qué” y el “cómo”, etapa perceptual, el “down“, de la memoria (Imagen a partir de wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Ahora ya estamos preparados como para afirmar que por los vericuetos de la vía del “qué” discurren los afanes de la memoria semántica y por los de la vía del “cómo“, los de la episódica. Si repasáis la lista de funciones locales incluso parece lógica esta diferenciación por territorios. Así pues, en general y a trazos gordos, memoria semántica por el lóbulo temporal, memoria episódica por la conjunción parieto-temporal. Digo trazos gordos porque no todo es tan sencillo. De entrada, no hay áreas de percepción pura (con la que cargar la memoria) y áreas de memoria pura (donde almacenar) ya que cada vez está más claro que en las áreas de percepción se gestiona y almacena memoria, y en las áreas de memoria se gestiona también percepción. Eso es debido a la riqueza de las interrelaciones neuronales, la espléndida complejidad del conectoma^[2] que hace que las vías de comunicación sean dobles, en el más amplio sentido local, de la percepción ↔ a la memoria ↔ a la emoción ↔ al pensamiento, “la vía del  “bottom-up”^[3] a través de una escalera de progresiva fusión multimodal,^[4] y lo contrario… del pensamiento a la percepción recorriendo todos los matices intermedios en una cascada “top-down“.^[5] El sótano informa mientras el ático modula. En los pisos intermedios más de lo mismo.

A pesar de ese reparto local de responsabilidades en cuanto a la memoria explícita, hay unanimidad que en el centro se encuentra una estructura encefálica situada en las profundidades del lóbulo temporal: el hipocampo.^[6] Y junto a él, las cortezas rinal y parahipocampal. Para situarlas imaginad el centro de vuestro cráneo, sobre el hueso etmoides que es el que hace de techo de la nariz, formando como un haz longitudinal que si cortamos diametralmente deja la impronta de un caballito de mar. Aunque realmente el caballito de mar es el hipocampo, que eso es lo que quiere decir tal nombre. Lo veis mejor en la siguiente figura.

Cortezas rinal -perirrinal y entorrinal-, parahipocampal e hipocampo. En su interior el ventrículo lateral lleno de líquido cefalorraquídeo^[7] (Imagen de Neurología Contemporánea, CC BY-SA 4.0)

¿Qué es lo que sucede en estas estructuras? En líneas muy generales las señales^[8] que provienen de las cortezas sensoriales primarias unimodales, y las que resultan después de pasar por los respectivos módulos de fusión multimodal en las cortezas secundarias, entran en las cortezas rinales y parahipocampal para pasar de ellas al hipocampo, en el que tras una cadena de tres sinapsis emite una señal a través de su parte más inferior llamada subículo^[9] que vuelve a las cortezas rinales y parahipocampal y, de ellas, de nuevo hacia las cortezas sensoriales. Una vez más observamos una circuitería que se adapta al concepto de reentrada dado por Edelman: no es una realimentación, no es un feed back,^[10] es un diálogo de ida y vuelta ¿Os suena a reforzamiento sináptico, a memoria en estado puro?

Después de lo que os dije de la modulación bottom-up o top-down seguro que pensáis que este esquema general debe ser mucho más complejo y refinado. Es cierto. Esos proceso de aprendizaje y de memorización de estímulos sensoriales, e incluso de estímulos surgidos de un episodio mental, están modulados por los estímulos recibidos desde zonas de fusión multimodal superiores, en el camino hacia la corteza prefrontal y, sobre todo, en ella; estímulos que a su vez condicionarán las experiencias a memorizar. Y eso no es solo un tema de memoria: es un procedimiento cognitivo. Las cortezas “superiores” no solo van modulando los recuerdos que se van fijando sino que también participan, menos mal, en la valoración de la percepción y en las propuestas motoras, procesos durante los cuales también deben acudir a lo que les dice la memoria. En el fondo es como en una guerra en el que los oteadores van realizando su labor con los datos incompletos que van adquiriendo al moverse por el terreno, datos que van transmitiendo vía radio (o lo que se lleve ahora con las tecnologías actuales) al puesto de mando, en el cual se toman rápidas decisiones a la vista de lo que parece ser la realidad abocetada por los oteadores ¡acérquese más a la colina 223.147.! o ¡asegúrese de nuevo que realmente es un carro de combate enemigo y no una roca en la oscuridad! Así los sucesivos módulos de fusión multimodal van haciendo una labor que conceptuaremos lenta, proponiendo datos y esperando modulaciones, mientras en las zonas “superiores” de la corteza frontal se toman decisiones rápidas que reorientan los mapas dibujados por los módulos inferiores, intentando así ajustar las propuestas motoras a lo que exige el entorno exterior o interior. Y eso queda grabado en la memoria ¿preciso con la realidad o no? da igual, eso es lo que queda en memoria para ser usado en situaciones similares, reales o imaginarias.

Memoria semántica

Dentro de este esquema general vamos a desarrollar algún detalle de las memorias. Empezando por la semántica. Recordemos cómo habíamos definido la función de ese tipo de memorias en el sentido de que principalmente se refieren a información de objetos independientemente de que se le asignen alguna palabra (aunque las palabras como elemento abstracto también están en esta memoria): categorías y conceptos. Redondo, pequeño, vegetal, árbol, roja → manzana.

Este tipo de memoria parece discurrir por el territorio de lo que llamamos la vía del “qué”^[11] La vía perceptiva de inputs semánticos discurre por el lóbulo temporal entra en las cortezas rinales y de allí, como sabemos, al hipocampo y vuelta a las áreas perceptivas secundarias. No sólo se almacena la memoria en el hipocampo sino también en estás últimas áreas multimodales situadas a lo largo del lóbulo temporal… por la vía del “qué“.^[12] Diríamos que, a la vista del relato anterior, tiende a orientarse hacia la vía inferior del “complejo hipocampal” (ver imagen de más arriba).

Pero no acaba aquí el tema ya que sabemos que asciende, tras múltiples fusiones multimodales, hasta el lóbulo prefrontal, principalmente hacia su parte lateral^[13] y polo delantero, que es considerado el summum de la multimodalidad. Sin olvidar que gracias a la riqueza de las interconexiones de esta zona frontal también van a participar estructuras más internas como la orbitofrontal y la prefrontal medial, muy implicadas, entre otras cosas, en la gestión racional de las emociones.

Las dos vías de la memoria explícita. Como se ve hay un bottom-up desde las cortezas sensitivas y un top-down desde la corteza prefrontal (A partir de “The deep history of ourselves”, Joseph LeDoux, Viking, 2019)

Memoria episódica

Su nombre lo indica. Es el almacenamiento de episodios específicos que nos han ocurrido o que hemos imaginado. Y como en todos los episodios autopersonales, ahí está nuestro Yo y las cosas y circunstancias objetivas que componen la película de los acontecimientos. Así que muchas veces al cuerpo de esta memoria se le considera como la amalgama “cuál-dónde-cuándo-Yo“: qué es lo que te llevó a tí a vivir un episodio y cuándo y dónde sucedió. Evidentemente en esta línea interviene la vía semántica, ya que es necesario que sepas que eres persona, o que aquel conjunto inmenso líquido es mar.  Aunque para el episodio sólo importa que… “aquel día te metiste en el agua en Valencia y fue un momento de mucho placer.” Y eso se parece mucho a lo que habíamos comentado de la vía visual del “cómo“.^[14] Así sucede para las percepciones visuales y mucho me temo que otros tipos de percepciones, como el sonido, vayan correlacionadas con aquellas aunque no precisamente en la vía parietal. Sí sabemos que, en general, los estímulos sensoriales que puedan formar un episodio pasan necesariamente por el parahipocampo -es decir, la parte externa del “complejo hipocampal” del que hablamos antes (ver dos figuras antes)- antes de entrar al hipocampo, seguir por la vía de las tres sinapsis y volver a las áreas multimodales de las cortezas sensitivas. En cierta medida, por una vía paralela a la de la memoria semántica. De nuevo entradas y reentradas que reforzarán las sinapsis y que van consolidando en los centros de fusión multimodal todos los aspectos de nuestro evento para quedar así como parte de nuestra memoria episódica.

Como en la memoria semántica, la historia sigue y tiene eco, hacia arriba, hacia la parte delantera del cingulado -cingulado anterior-^[15] y de allí a las cortezas prefrontales ya comentadas para la memoria semántica: la medial -interior-, la lateral y el polo anterior.

Algunas palabras para la memoria implícita

Acabo con un apunte al margen. Hemos dicho que la memoria explícita se almacena en el hipocampo y en las áreas sensoriales secundarias. Pero parece como si la información almacenada en el hipocampo, con el tiempo, se vaya trasladando a las sensoriales. De ahí que un paciente de alzheimer, con el hipocampo dañado, olvide con facilidad los recuerdos de lo que vivió hace poco y no los de su infancia y juventud. Parece como si con el tiempo, y la repetición que favorece la experiencia, se vayan reafirmando las memorias, como si se hicieran automáticas, momento en el que pasan a dejar de ser controladas por el hipocampo, sino que lo van a estar por el neocórtex. Lo que va a implicar una mudanza de lugar de lo memorizado e incluso su transmutación en memoria implícita si el automatismo conseguido es total. La memoria implícita es aquella que trabaja sin la presencia de la consciencia y suele funcionar en base a lo que podríamos llamar “procedimientos”. No es algo raro en el cerebro, ya que el pobre, en su limitación, funciona mucho con subrutinas establecidas, a las que acude de manera automática e inconsciente, ya que con el tiempo se han definido como útiles para la supervivencia, que esa, y no otra, es su labor. Por ejemplo un patrón motor, como el conducir. Como por ejemplo la idea semántica de manzana (no hace falta analizar siempre “redondo, pequeño, vegetal, árbol, roja → manzana”). O el truco de aprenderse un teléfono de carrerilla, sin pensar en lo que se dice. O el pronunciar la palabra “coche” sin tener que reflexionar cuál es cada una de las cinco letras. Son todos ellos esquemas mentales neuronales, cuerpos de conocimiento que se utilizan como una unidad de memoria. Y, evidentemente, son maleables y perfeccionables con la experiencia.

No sabemos muy bien si los soportes neurales de las memorias explícita e implícita son los mismos o no, aunque parece que deberían ser diferentes si observamos el comportamiento de pacientes con déficit en el hipocampo -headquarter de la memoria explícita- que se manejan perfectamente con las cosas sencillas y habituales, como atarse los zapatos. O los niños pequeños que han aprendido movimientos mecánicos pero no podemos pensar que están capacitados para estudiar los ríos de su región. O la facilidad con la que declamamos una lista mecánicamente que se nos desbarata cuando ponemos una pizca de consciencia en el proceso. Por ello parece que existen fundadas evidencias como para pensar que la memoria implícita opera en el cerebro de forma algo distinta a la memoria explícita. Hay zonas en el cerebro que sabemos que tienen ese tipo de habilidades, como son los ganglios basales, en lo profundo del cerebro límbico, que parecen encargarse de la gestión de los patrones motores automáticos -ir en bici, acertar con la raqueta la pelota,…-; la amígdala también en el núcleo límbico y que se encargaría de gestionar la memoria emocional; o el cerebelo, que se encarga de los procedimientos de ajuste fino involuntario de nuestros movimientos. Lo que por supuesto no nos debe hacer olvidar lo ya dicho: que las cortezas sensoriales secundarias son sede de memoria, quizás también en sus aspectos más generales y difusos.

Con este último apunte finalizo la entrada dedicada a la memoria explícita… y de su pareja de baile en la pista del largo plazo, la implícita. En otra entrada por venir debo animarme a estudiar la memoria de trabajo. Ésta ya tiene unos matices más especiales que podremos ver. Hasta entonces.

1. Habría que ver la entrada 11 “La visión III. Procesos superiores“.
2. Recomiendo leer la serie, también publicada aquí en El Cedazo, titulada “El Conectoma cerebral“, en especial el capítulo 4, “Unicidad y diversidad. II“, en donde se describen las ideas del premio Nobel Gerald M. Edelmann acerca de la consciencia.
3. Partiendo desde la posición más simple se sube hacia la más compleja.
4. Por fusión multimodal entiendo lo siguiente: las percepciones no se gestionan en su completitud en una zona cerebral, sino que se gestiona por partes desde lo más elemental. Es evidente que el cerebro, a partir de una playa de arenas elementales como es la de la información perceptiva, construye una realidad única. La fusión multimodal se produce en las distintas regiones intermedias que van agrupando las señales unimodales, depurando y conformando algo más complejo que serán ya gravilla en las siguientes áreas de fusión. Así hasta generar una roca como una entidad propia.
5. Partiendo desde la posición más compleja se baja hacia la más simple.
6. Es célebre la anécdota real acerca del mayor tamaño del hipocampo en los taxistas londinenses, obligados a saberse el callejero de Londres al dedillo y a encadenar, sin duda y dilación, el rosario de calles que unen un punto con otro de la ciudad.
7. Añado esta nota que a mí me ha servido como de gancho mnemotécnico para recordar estas estructuras: rinal del latín rinos, nariz; perirrinal que bordea, peri, la nariz que realmente se sitúa debajo; entorrinal, la parte interior, ento, de la corteza rinal; parahipocampo que está junto a, para, el hipocampo; e hipocampo, del griego ιππος, hippos = caballo, y καμπος, kampos = el monstruo marino Campe.
8. Tanto de los sentidos como del cuerpo. En la serie mencionada de El Cedazo “Los sistemas receptores“, se habla en profundidad del abanico completo de esas señales sensoriales.
9. El subículo del latín subix, un soporte, es la parte más baja del hipocampo.
10. Ya que en esos casos de realimentación o de feed back los resultados obtenidos de una tarea o actividad son reintroducidos nuevamente en el sistema con el fin de controlar y optimizar su comportamiento.
11. No exactamente es la vía del “qué“, pero en aras de una simplificación que facilite la comprensión podemos pensar que es casi así.
12. Por completar la jugada diré que estas áreas donde también se almacena la información semántica son la unión temporo-parietal, la parte superior del lóbulo temporal y el polo anterior de este lóbulo, Este polo temporal se le conceptúa como un área de fusión multimodal trascendental ya que parece que se dedica a buscar características comunes en la diversidad que le llega con el resultado de poder categorizar y conceptualizar.
13. La parte más externa del córtex prefrontal: las cortezas prefrontal dorso y ventro lateral.
14. Aquí diré lo mismo que afirmé para la memoria semántica: no exactamente es la vía del “cómo” pero en aras de una simplificación que facilite la comprensión podemos pensar que es casi así.
15. El cingulado es parte de la corteza cerebral situado por debajo del neocórtex. Visualmente lo podemos imaginar como la protección interna de un casco de motorista, mientras que la parte dura sería el equivalente del neocortex.

Una población celular neuronal del cerebro en la que destacan las neuronas piramidales de diversos tamaños y somas triangulares, y las células neuronales estrelladas de somas más redondeados (Imagen de “Prácticas de histología”, Unidad de Histología de la Universitat de València, fair use)

Veremos en la entrada de hoy cómo eso se concreta en la fisiología funcional de las neuronas y sabremos de la existencia de detectores coincidentes que permiten “saber” a la neurona presináptica que la postsináptica está activa cuando ella lo está y, a la vez, que la postsináptica está activa cuando también lo está la presináptica. Más concretamente, cada neurona de la pareja sináptica “sabe” dónde se está realizando la sinapsis particular entre ellas (recordemos que cada neurona realiza en promedio unas diez mil sinapsis). Pasemos pues a ver como la experiencia repetida y repetitiva cambia y refuerza a las sinapsis y además hace que esos cambios sean duraderos: estamos hablando de la memoria a largo plazo.

MEMORIA A LARGO PLAZO

Los estudios sobre el comportamiento sugieren que hay una transformación gradual de la memoria de corto plazo en memoria de largo plazo y que, además, en esa transformación es muy importante la repetición del estímulo. Pero atención…. la memoria de largo plazo no es una mera extensión de la de corto plazo: no sólo duran más los cambios en la intensidad sináptica sino que, para nuestra sorpresa, el número de sinapsis del circuito neuronal también se modifica. Parece como si la memoria de corto plazo solamente produjera cambios funcionales en la sinapsis, intensificando o atenuando conexiones previas, mientras que la memoria de largo plazo exige cambios anatómicos. En el fondo de todo ello está el hecho de que vamos a pasar de marcar un mapa neuronal de memoria a corto plazo para marcarlo, de forma diferente, como un mapa de memoria a largo plazo.

Fase presináptica

Evidentemente todo parece suceder de acuerdo a lo que dijimos que pasaba durante los procesos de memoria a corto plazo. Pero con una diferencia: la repetición intensa del estímulo -la inyección inicial de serotonina- que nos va a llevar a memorizar a largo plazo genera en la neurona presináptica gran cantidad de AMP cíclico y de quinasas, muchas más que cuando se forja una impronta de memoria de corto plazo. En esta situación de superabundancia de moléculas en la terminal sináptica, durante el proceso de largo plazo obran dos líneas de mensajes diferentes en la neurona presináptica. Esas dos vías por las que se inicia la facilitación de la memoria y se mantiene son dos procesos independientes. La primera es exactamente la misma que sucedía en la fijación de memoria a corto plazo: serotonina-AMP cíclico-quinasa-glutamato.^[1] Una segunda es el resultado lógico de la superpoblación de quinasas,^[2] por la que parte de esas proteínas inducidas por la inyección de la serotonina, que no han ido al proceso directo de secreción de glutamato de la primera vía, (número 4 en la figura siguiente) viajan al núcleo de la neurona para activar allí a otra proteína, la CREB,^[3] que va a poner en acción a los genes que codifican el tipo de proteínas necesarias para el desarrollo de nuevas conexiones sinápticas [+].^[4] La segunda vía tiene una “subrutina” colaboradora y necesaria por la que se va a perpetuar el reforzamiento sináptico manteniendo las nuevas terminales formadas. Es un mecanismo que exige en la neurona presináptica la síntesis local -en las proximidades de la sinapsis- de otro tipo de proteínas.

¿Cómo funciona la segunda vía? Para saberlo vamos a ver qué pasa si incrementamos los estímulos de aprendizaje mediante una repetición, más que intensa, muy prolongada. Lo primero que observamos es que si las pautas repetitivas son muy persistentes en el tiempo no se obtienen buenos patrones de memoria. Parece como si no por mucho insistir en la repetición se mejore la memoria. El efecto va a ser mayor si los patrones repetitivos se distancian en el tiempo como si fuera un tren de estímulos. Como ya hemos apuntado en el párrafo anterior la aportación continua de serotonina vinculada a las pautas de repetición produce una superpoblación de AMP cíclico y de la enzima quinasa en el interior de la neurona. El AMP se queda en las proximidades de la sinapsis mientras que la quinasa se ve casi forzada a aproximarse al núcleo de la neurona. (5) Comienza una nueva carrera de relevos, ya que la quinasa, en unión de otra quinasa hermana -la MAP-, activa en el interior del núcleo de la neurona a dos tipos de proteínas también hermanas -CREB 1 y 2-, de las que cada una tiene efectos contrapuestos. (6) La primera activa al gen que expresa la proteína adecuada para generar un crecimiento de sinapsis mientras que la segunda, al contrario, induce en los genes la generación de proteínas que lo inhibe. No obstante, al llegar esas nuevas proteínas a las proximidades de la membrana neuronal donde se inicio la sinapsis, el balance del juego de una y otra es favorable a la aparición de nuevos puntos de sinapsis. Lo que va a favorecer el que se segregue glutamato adicional en la hendidura sináptica y, además, de forma retardada. Más intenso [+] y durante más tiempo [+].

Esquema del proceso fisiológico por el que se refuerzan las sinapsis que configurarán la memoria a largo plazo (explicación en el texto)

En este proceso de fijación de la arquitectura neural que soporte la memoria en el largo plazo hay una sofisticación adicional. Esa es la “subrutina” de la que hablábamos. Podríamos hacer la siguiente reflexión: si todo va de arquitectura local específica, para reforzar la memoria iniciada en la primera vía la generación de más sinapsis debería ser en las proximidades de la sinapsis primitiva que comenzó el proceso. Sería la única forma en que la configuración del específico mapa neuronal de memoria se reforzara. Pero ¡ojo! ha de ser impepinable que aquellos genes que se  activan con las CREB, y que expresan las proteínas adecuadas para el desarrollo de nuevas sinapsis, trabajen para todo el cuerpo celular de la neurona. En teoría, esas proteínas deberían vehicular por todo el protoplasma neuronal. Entonces ¿cómo saben esas proteínas hacia qué zona deben dirigirse y generar nuevas sinapsis? No lo pueden favorecer en todas las dendritas y en todas las espinas de la célula.^[5] Algo debe haber en la sinapsis original donde se inició todo que la deba marcar como el objetivo.

(7) Y ese algo es una nueva proteína, la CPEB,^[6] que actúa como un prión^[7] -se autoperpetúa y se autopropaga- y está por todas las terminales sinápticas ¡Pero si está en todos lados no nos va a resolver nuestro problema local! No hay problema: cuando llega la serotonina en un locus concreto, y solamente ante la presencia de la serotonina, la CPEB pone en marcha su capacidad de perpetuarse y propagarse, se despierta y hace que las ubicuas proteínas generadoras del crecimiento sináptico, inicialmente inactivas, se despierten también y hagan su función solamente en el punto preciso donde ha llegado la serotonina. La flecha del particular proceso auxiliar sería: serotonina, autoperpetuación de CPEB, proteína activada, nueva sinapsis.

Fase postsináptica

Eso es lo que sucede en la neurona sensitiva presináptica. Aunque también hay que hablar de la neurona postsináptica a la que también le pasan cosas además del potencial de acción inducido en ella por el glutamato vertido desde la presináptica. No es tan sólo por completar el cuadro de la memoria: en ese cuadro es absolutamente imprescindible la comunicación entre neuronas pre y postsináptica. Recordemos que la memoria es un reforzamiento de sinapsis y el rumor de las sinapsis se refuerza cuando las neuronas hablan entre ellas.

Conversación entre las dos neuronas que configurarán la memoria a largo plazo. En esta figura el estímulo no es una aportación de serotonina sino la llegad de un potencial de acción en la presináptica (explicación en el texto)

En la neurona postsináptica hay dos tipos de receptores del glutamato. Ambos son canales iónicos como los que permitían los trasvases de potasio y calcio en la neurona presináptica. A uno se le conoce como AMPA^[8] que es el mediador habitual de la transmisión sináptica mediante el glutamato. Mientras que el otro, el NMDA,^[9] en cambio, sólo responde a trenes de estímulos sumamente rápidos. Recordemos cómo decíamos que la memoria a largo plazo se inducía a partir de este tipo estímulo que se traducía en (8) la segregación de glutamato en la hendidura sináptica. En esas circunstancias el receptor AMPA al abrir su canal iónico provoca una despolarización de la neurona (10) que va a ocasionar la apertura del receptor NMDA, por el que (11) va a entrar calcio en la neurona postsináptica. El calcio va a hacer algo semejante (12) a lo que hacía en la presináptica el AMP cíclico… activar una quinasa… que va a activar a las CREB… que va a activar a unos genes… que producen proteínas específicas… que (13) van a favorecer la inserción de nuevos canales AMPA [+] en la membrana de la neurona postsináptica, lo que va a suponer un mayor número de “puertas” para recibir la mayor producción de glutamato que ya sabemos se estaba produciendo en la presináptica. Con la gran particularidad de que este proceso puede durar hasta incluso una hora: ¡la sinapsis se está reforzando a lo largo de una hora! Incluso hay investigaciones que soportan el hecho de que también en (9) ese proceso en la neurona postsináptica (14) devuelve mensajeros a la presináptica que inicia (15) un nuevo refuerzo en la emisión de [+]. Todo huele mucho a que se vaya estableciendo un mapa neuronal muy reforzado, es decir, a memoria a largo plazo.

En resumen, un intenso chateo entre dos neuronas intensamente conectadas, cuyas consecuencias para el aprendizaje y memoria, para la construcción de un mapa neuronal duradero, exige la participación de esas dos células: para liberar glutamato la neurona presináptica debe estar activa y, además, el receptor AMPA de la célula postsináptica debe unirse al glutamato y despolarizar la célula. Sólo en el caso de que ocurran los dos sucesos se activan los receptores NMDA permitiendo el ingreso de calcio a la célula, desencadenando así la potenciación de largo plazo.^[10] Nuestro conocido biopsicólogo Donald O. Hebb ya había postulado en 1949 la existencia de algún tipo de detector de coincidencias en el cerebro durante el aprendizaje: “Cuando el axón de la célula A […] excita a la célula B y participa del disparo que se produce en ella reiterada o persistentemente, se lleva a cabo algún proceso de desarrollo o se generan cambios metabólicos en una o en las dos células involucradas, de modo que la eficacia de A aumenta”. Un gran visionario… un gran hombre de ciencia.

Acabo aquí esa entrada, complemento de la anterior, en la que hemos hablado de la fisiología de la memoria, tanto a corto como a largo plazo. Para poder avanzar en la comprensión de la memoria y de cómo funciona habría que progresar un poco y analizar qué circuitos neuronales son los que creemos que soportan esta función. Quizás eso deba ser objeto de otra entrada.

1. Ver la entrada anterior “¡Hablemos de la memoria! 1 De corto plazo“
2. En realidad hay dos tipos de enzimas quinasa, la A y la MAP.
3. Del inglés ‘cAMP response element-binding’, es una proteína que actúa como factor de transcripción.
4. Con la grafía [+] quiero indicar que hay un reforzamiento temporal o en intensidad de la sinapsis.
5. Una espina dendrítica, o espina, es una pequeña protuberancia en la membrana del árbol dendrítico de ciertas neuronas donde, típicamente, se produce la sinapsis con un botón axonal de otra neurona, y en ocasiones contactan varios axones.
6. Del inglés Cytoplasmic Polyadenylation Element-binding protein.
7. Partícula infecciosa de naturaleza proteica que tiene la capacidad de transformar otras proteínas celulares normales en priones anómalos.
8. El receptor del ácido α-amino-3-hidroxi-5-metilo-4-isoxazolpropiónico, también sabido como receptor AMPA, es un receptor transmembrana de tipo de canal iónico para el glutamato.
9. Los receptores NMDA, de N-metil-D-aspartato, también es un receptor transmembrana de tipo de canal iónico para el glutamato.
10. Frase extraída del libro de Eric Kandel “En busca de la memoria: nacimiento de una nueva ciencia de la mente”, pagina 332, Katz Editores, Buenos Aires 2007.

Si has seguido la serie publicada en este blog de El Cedazo, que titulamos como “El Conectoma cerebral”,^[1] supongo que por tu cabeza rondará la idea de que somos y actuamos no porque las neuronas tengan habilidades mágicas en sí mismas, sino porque sus redes sociales, el conectoma, es como es: definido por la genética y modulado por la experiencia.

Como no podía ser de otra manera, al ser la memoria una habilidad neuronal está soportada en el conectoma, en particular a su nivel más “micro” de las sinapsis entre neuronas. Supongo que ya sabéis que las sinapsis son las vías de “chateo” entre las neuronas mediante la actuación de mediadores químicos que modulan sus reacciones. Determinados patrones en esas conversaciones conllevan un reforzamiento de las alianzas entre ellas. Es la famosa frase hebbiana acerca de que “dos células o sistemas de células que están continuamente activas al mismo tiempo tenderán a convertirse en “socias”, de manera que la actividad de una facilitará la de la otra”.^[2] La mayoría de los neurocientíficos de hoy en día creen que en las alteraciones de las sinapsis, en esas asociaciones para el refuerzo mutuo, está la base del aprendizaje y que la memoria es la estabilización en el tiempo de esos cambios.

En esta serie me propongo hablar de la biología y el relato neurológico que permite la propia existencia de la memoria.

La memoria se almacena como patrones físicos de funcionamiento entre neuronas interconectadas (mapas neuronales) que se han visto reforzados por la actividad conjunta repetida en el tiempo (Modificado de un dibujo de Ramón y Cajal, imagen de la red, dominio público)

De la memoria se ha hablado mucho. Y, como ha sucedido con otras muchas cosas, también ha sucumbido a la necesidad humana de clasificar y poner etiquetas. Bien es verdad que, en el tema que nos ocupa, es absolutamente necesario, ya que la memoria no es única, es polifacética y cada una de sus caras es gestionada de distinta manera por los procesos cerebrales. Por ello podemos entender que se revela útil el segmentarla. Siguiendo el aroma de sus distintos matices podemos pensar en la memoria de trabajo, aquella en la que nos apoyamos para el simple acto de vivencia automática o reflexión inmediata (nos dicen el número de un teléfono, lo recordamos, lo marcamos en el móvil y… se fue); también en la memoria espacial o la memoria temporal que no hace falta definir; en la memoria semántica y conceptual que nos asegura una completa enciclopedia de lo que nos vamos a encontrar a lo largo de nuestra existencia; en la memoria automática que usa el cerebro para llevar a cabo los procesos que no requieran consciencia, conocida como memoria implícita; o la memoria explicita, que es todo lo contrario, requiere de la consciencia para que queden de manifiesto su dos caras, la que nos permite hablar, o pensar, acerca de las categorías y conceptos de lo que nos rodea y aquella que nos permite hablar, o pensar, acerca de lo que ha pasado en nuestras vidas y así poder proyectarla hacia el futuro. Pero no vamos a hablar de ellas, ya que en lo más elemental de su existencia se revelan dos vías: memoria de corto plazo y memoria de largo plazo. La primera sirve para lo que sirve, pero es la base de la segunda: el corto puede transformarse en largo. Y de hecho así es.

Como hemos dicho, el funcionamiento cerebral y los comportamientos que nos induce son reflejo de su particular arquitectura. Hablando de forma muy elemental, la memoria consiste en la existencia física de mapas neuronales, entendiendo “mapas” como especiales asambleas neuronales que se comunican preferentemente entre ellas, que reflejan algún aspecto concreto relacionado con la supervivencia o la conciencia y al que se puede acudir en cualquier momento. Un mapa puede ser el “procedimiento de ir en bicicleta”, o “este sonido es Yellow submarine”, o “manual de premisas para que lo que se experimenta sea miedo”. Estos “esquemas” arquitectónicos, los mapas, están armados por las conexiones entre las neuronas participantes. Desde luego, para ser memoria tienen que ser duraderos… lo más posible. Lo que viene condicionado por la fortaleza de las sinapsis, que a su vez es resultado de su “uso”: sinapsis inactiva desaparece, sinapsis activa se refuerza. Un episodio de la función teatral exterior o interior activará una de esas redes de chateo, que va a resultar como una analogía de lo que se experimenta. Por el hecho de que ha trabajado, esta red queda ya marcada por un breve plazo y podrá ser usada para otros procesos cerebrales durante ese plazo. Si la escena es altamente emotiva quedará más marcada aún. Si la escena es repetitiva… también. Eso es la base de la memoria. Eric Kandel, famoso neurólogo austriaco-americano, recibió en 2000 un premio Nobel por sus estudios acerca de la memoria. Tarea que desarrolló estudiando el sencillo sistema nervioso de un molusco, la babosa de mar Aplysia, en el que se encuentran neuronas de buen tamaño, de hasta un milímetro de grosor y con un axón fácilmente identificable. En un apasionante libro en el que mezcla su vida con sus investigaciones, “En busca de la memoria”,^[3] explica su aventura totalmente detectivesca en busca de la explicación de las vías fisiológicas de la memoria. No voy a desarrollar aquí su camino de descubrimientos. Me voy a centrar en los resultados.

La maleabilidad de las sinapsis son parte de la plasticidad cerebral. Pero ¿cómo puede ser que un hecho externo a neuronas que se comunican afecte a las características de esta comunicación?

Eric Kandel, premio Nobel de Medicina 2000 por sus descubrimientos sobre la transducción de señal en el sistema nervioso… y añadiremos de nuestro tintero… por sus descubrimientos sobre los procesos de la memoria (Wikimedia, CC BY-SA 4.0)

El método utilizado por Kandel en su investigación para dilucidar el problema aprovechaba los procesos conocidos como habituación, sensibilización y reflejo condicionado, durante los que las características de los inputs condicionan las respuestas y su permanencia temporal. La habituación consiste en que un influjo repetido en el tiempo llega a no ser tenido en cuenta, es decir, una “desmemorización”. La sensibilización es lo contrario, cómo un tipo de respuesta es condicionado, reforzándolo, por otro estímulo independiente. El reflejo condicionado es casi como el anterior con la diferencia de que los dos estímulos, que en principio son independientes, se les hace coincidir en el tiempo con el resultado de que a la larga uno de ellos -el débil- provoca la respuesta que normalmente suscita el otro -el fuerte-. Estudiando la incidencia de diversos estímulos -neurona sensitiva- sobre los comportamientos suscitados -neurona motora-, y qué era lo que pasaba entremedias, llegó a descubrir cuáles eran las bases bioquímicas de la memoria.

Quizás el razonamiento de base de Eric Kandel se asemejaba bastante al siguiente esquema: imaginemos a una neurona sensitiva principal efectuando una sinapsis con una neurona motora principal. La neurona sensitiva no sólo recibe estímulos directos según su función (si es táctil cuando hay tacto, si es visual cuando se ve algo…), sino también los recibe de otro sistema sensitivo funcionalmente no relacionado -neurona sensitiva secundaria- aunque sinápticamente conectado. La conversación en las sinapsis se lleva a cabo mediante neurotransmisores secretados por la neurona presináptica que serán recibidos por los receptores de la postsináptica. En el camino se van a encontrar con neuromoduladores que matizan el chateo. Vamos a imaginar también en nuestro modelo, aunque realmente es lo que sucede en buena parte de los casos reales, que el sistema sensorial independiente vierte un neuromodulador, la serotonina, sobre la neurona sensitiva principal, en un momento en el que esta última está interviniendo en su sinapsis con la motora secretando el neurotransmisor glutamato (el más habitual en la vida real).

MEMORIA A CORTO PLAZO

Tras esa inyección momentánea de serotonina se observa en la cantidad de glutamato que se está vertiendo en el hueco sináptico un incremento que persiste en el tiempo, un refuerzo temporal: “refuerzo” + “temporal”, que suena algo así como una base para una memoria elemental. Ese efecto se veía aún más reforzado, tanto en cantidad de glutamato como en su duración en el tiempo, si la inyección de serotonina se hacía de acuerdo a una rápida pauta repetitiva, no necesariamente demasiada prolongada en el tiempo. Lo cual ya suena a una memoria de corto plazo. Repitiendo el estímulo se refuerza aún más la respuesta asociada a este estímulo. En esas circunstancias, ¿qué es lo que pasa en la neurona sensitiva presináptica?

Por un lado el proceso se configura como una carrera de relevos: la serotonina se acopla a su receptor específico -un conjunto de proteínas- que está incrustado en la membrana de la neurona presináptica pero sin conformar una puerta, un orificio.^[4] Ya en el interior de la neurona (número 1 en la figura siguiente) ese receptor estimula químicamente la generación del adenosín monofosfato cíclico (AMP)^[5], (2) que a su vez estimula a una enzima quinasa^[6] (3) que interviene directamente en la liberación del glutamato en la hendidura sináptica [+].^[7] Vemos, por tanto, que en la membrana de la célula presináptica ha habido dos tipos de comunicación. Una, en la que alguien toca el timbre, la serotonina, y sin abrirse ninguna puerta en el interior suceden cosas, aparece el AMP cíclico. Este tipo de comunicación química es seguido por una comunicación físico-química por la que una quinasa abre las puertas del glutamato.^[8] Se da la circunstancia que el segundo proceso es relativamente rápido, unos milisegundos, mientras que el primero es mucho más lento, hasta unas diez mil veces más prolongado. Eso quiere decir que la salida de glutamato no va a ser muy rápida, la acción en la sinapsis dura, lo cual favorece el reforzamiento de la fuerza sináptica para un futuro [+].

Esquema del proceso fisiológico por el que se refuerzan las sinapsis que configurarán la memoria a corto plazo (explicación en el texto)

Por otro lado la serotonina (2′) provoca una ralentización en la salida del potasio del interior de la neurona.^[9] El ritmo de variación de la concentración interna de ese ión modula la duración del potencial de acción de la neurona: cuanto más tarde en salir el potasio más duradero es el efecto del potencial de acción [+]. Pero no sólo prolonga el plazo de emisión de glutamato, sino que, también, la prolongación del potencial de acción brinda más tiempo para que entren más iones de calcio en las terminales presinápticas por sus correspondientes canales, siendo así que el calcio es esencial para que las vesículas donde se almacena el glutamato se acoplen más fácilmente a la membrana de la neurona presináptica, con lo que se facilita la liberación del neurotransmisor [+].^[10]

Como consecuencia del glutamato que llega a la neurona postsináptica se induce en ella un potencial de acción. Y como hemos visto que hay procesos que incrementan la segregación de ese glutamato, en cuanto a cantidad y duración en el tiempo, la comunicación entre las dos neuronas queda realmente reforzado… y eso es el ladrillo elemental de la memoria. Con ello se conforman las memorias, un procedimiento de aplicación general en aquellas áreas donde pensamos se almacena al información en nuestro cerebro. Es evidente que si acudimos a esos recuerdos grabados en mapas neuronales, estos mismos mapas se verán alterados durante el recuerdo, ya que las sinapsis de base van a cambiar su intensidad, por lo que se desvanece la seguridad personal en el contenido de nuestra memoria. Curioso… juraríamos que nuestros recuerdos se ajustan a lo que fueron, pero no es así. Pero eso no deja de ser una curiosidad, aunque con implicaciones en nuestro comportamiento.

En la siguiente entrada abriremos el campo de la memoria y analizaremos cómo conseguimos un reforzamiento en el tiempo que va a convertir la memoria de trabajo, la de corto plazo, en una memoria de largo plazo.

1. O cualquier otra publicación que hable del tema.
2. “The Organization of Behavior”, página 72, Donald O. Hebb, Wiley editores, 1949, New York.
3. No sólo habla de sus trabajos, sino que habla de la vida de un niño judío en Viena desde la anexión del país por el Nacionalsocialismo de la Alemania hitleriana y de cómo tuvo la suerte de poder emigrar a Norteamérica, en donde estudió su especialidad -quería ser psiquiatra por la influencia de su paisano Freud, aunque luego devino neurólogo-. De cómo saltó a Europa y vuelta a América, viajes por el mundo que evidencian el universalismo de la vida de la Ciencia.
4. A ese tipo de canales de comunicación química se les conoce como trofotrópicos en contraposicion a los ionotrópicos que sí son un canal por donde circulan iones.
5. Pariente “pobre” del ATP, adenosín trifosfato, mucho más famoso, ya que es la batería energética interna de las células.
6. Las enzimas quinasas se tratan de unas proteínas que aceleran las reacciones químicas en el cuerpo y que añaden sustancias químicas llamadas fosfatos a otras moléculas, como azúcares o proteínas. Lo cual es una inyección en vena de energía. Esto puede hacer que otras moléculas de la célula se vuelvan activas o inactivas.
7. Con la grafía [+] quiero indicar que hay un reforzamiento temporal o en intensidad de la sinapsis.
8. Digo físico-química porque, por lo general, la apertura-cierre de ese tipo de puertas lo conforman iones accionados por fuerzas electromagnéticas.
9. A través de lo que se conoce como canal de potasio, una proteína incrustada en la membrana neuronal que conforma un poro. Genéricamente se les conoce como canales iónicos ya que realmente son un orificio por el que pueden circular iones en una y otra dirección.
10. He introducido aquí el potencial de acción en la neurona presináptica. Puede plantear confusión, ya que hasta ahora hemos trabajado con los experimentos de Kandel en los que el estímulo provenía de la acción de la serotonina segregada por una tercera neurona. Pero el estímulo también puede ser un potencial de acción provocado aguas arriba en el axón presináptico.

¿Qué pueden ser esas cosas? O que las moléculas presentes en el par (i) regresen a su estado inicial, lo que implica que una de ellas vuelva a tener en su orbital externo a dos electrones con espines antiparalelos, o (ii) que tenga la oportunidad de acoplarse a otros actores. Esto último sucede gracias a que los electrones no emparejados de un radical generalmente pueden interactuar con varios núcleos vecinos simultáneamente, en parte porque están deslocalizados, es decir, se extienden sobre una porción de la molécula más allá de su teórico átomo, y en parte porque en su cercanía física hay átomos que pueden generan, gracias a sus características de “imán”,^[1] momentos dipolares en la corta distancia suficientemente potentes como para impulsar la interrelación.^[2]. Estas interacciones darán como resultado un nuevo producto químico que antes no existía y que, evidentemente, podrá tener sus consecuencias aguas abajo del proceso iniciado por el fotón.

La figura siguiente es bastante explícita al respecto: Tenemos dos moléculas A y B reactantes inicialmente en equilibrio. Un fotón luminoso (ligth) genera un par de radicales [A^•+ B^•-]^[3] que, como ya imaginamos, resulta a partir del salto de un electrón de la molécula A a la molécula B. También dice la figura que el par de radicales presenta dos estados cuánticos superpuestos, singlete y triplete, teóricamente intercambiándose uno con el otro -lo que intenta representar las flechas circulares centrales-. La misma figura dibuja además la vía de nacimiento del sistema [A^•+ B^•-] singlete/triplete y también las vías de su “disolución”: observamos la posibilidad de una triple salida que se tiene que decidir mientras dure la coherencia cuántica y no se llegue al equilibrio por la relajación de los espines.

Esquema funcional de un par de radicales. La notación S se refiere en todos los caso a singlete y la T a triplete (Imagen modificada de la publicación “Chemical magnetoreception in birds:The radical pair mechanism”, figura 1, Christopher T. Rodgersa,b and P. J. Hore, PNAS Diciembre 2008, fair use)

Las vías de disolución están moduladas por constantes k que son algo así como el ritmo de los pares que transitan por esta vía, su “frecuencia de tránsito”: por ejemplo, una k_S^b de 10^-6 segundos indica que cada µseg un par desaparece por esa vía hacia la situación inicial [A B]. Una salida es la que modula la constante k_S^b -que como decimos es algo así como el ritmo de los pares que se “evaporan” transitando esta vía- por la que el sistema vuelva espontáneamente a la situación inicial [A B] mediante la emisión de un fotón, lo cual parece que sólo se produce directamente si el colapso de la función de onda proviene de un singlete.^[4] Otra salida, doble, la conforman las vías moduladas por k_S^f y k_T^f, que van a ser transitadas siempre que los microsegundos de duda, antes de que se caiga en la relajación y equilibrio no-coherente, den tiempo suficiente como para que algún agente externo, como el ¹H, el ¹⁷O o el ¹⁴N… (ya lo dijimos en la nota 2), pueda afectar la dinámica hiperfina del par dando como resultado posibles productos, derivados de A y/o B, que aquí se denominan como C. .

Si conceptualizamos la salida doble como única (una simplificación que creo que mejora el entendimiento: al fin y al cabo ambas van al producto C) podemos ver cómo hay dos vías competidoras para la eliminación de los pares [A^•+ B^•-]: desde el estado singlete con “velocidad” k_S^b y desde los estados singlete o triplete con “velocidad” k_S/T^f.^[5] Las proporciones de pares radicales que viajan hacia [A B] o que viajan hacia C dependen no sólo de esos dos ratios temporales, las dos k’s, sino también de la dinámica de la interconversión singlete/triplete, como no podía ser menos, ya que es el “inquieto” punto de partida de las dos vías. Si en el hipotético campo biológico que habíamos imaginado con una gran familia de pares esta dinámica genera un incremento de la fracción promedio de tripletes, con una consiguiente disminución en la fracción de singletes, entonces los pares radicales reaccionarán más hacia la forma C y volverán en menor cantidad a AB. Y viceversa.^[6] Hay que hacer hincapié en que necesariamente las dos vías tienen que ser realmente competidoras, es decir, que no haya una gran diferencia entre las constantes de modulación k_S^b y k_S/T^f, ya que si una dominase sobre la otra no habría posibilidad de modular, de generar diferencias que pudieran definir una brújula ya que todo el proceso iría hacia una dirección -la de partida [A B]- o hacia la otra -la del producto C-. Se daría un proceso de todo o nada, quedando anulada la variación de información tan imprescindible para que una brújula funcione.

Nos podemos preguntar: ¿qué es lo que puede haber que modifique la proporción entre los estados superpuesto singlete/triplete? Hombre, ya hemos dicho que su dinámica está condicionada por las interacciones magnéticas hiperfinas, además de que los campos magnéticos alteran al vector de los espines electrónicos transformándolos en una especie de peonza. Cambia su dirección y añaden un giro de precesión en su eje. Entonces… puede ser que un campo magnético con una energía semejante a la de los niveles hiperfinos del par afecte su dinámica y, por tanto, altere la proporción de singletes frente a los tripletes: la presencia de ese campo puede ser decisivo en la cantidad final de C.  Además intuimos que las alteraciones en el rendimiento final del producto C, una vez que todos los pares radicales han desaparecido, es lo que puede generar las reacciones sensoriales necesarias que proporcionarían al ave la información sobre la dirección del campo magnético. Realmente esto puede ser muy significativo. Se desvelará más abajo.

Dado que en la hipótesis de una brújula química apoyada en los pares de radicales es fundamental la situación de la población singlete/triplete, como ya se ha apuntado, ha habido mucho interés en correr simulaciones de cómo puede evolucionar teóricamente su relación poblacional dentro del estado de coherencia cuántica singlete/triplete. Se ha observado que mientras dura esa coherencia, y en ausencia de agentes externos, solamente por la acción de las dinámicas internas del par, la alternancia singlete/triplete sigue unas oscilaciones muy irregulares, aunque dentro de una modulación general que hace que globalmente las variaciones relativas de las poblaciones de singletes o de tripletes dentro de la muestra -que puede ser nuestro imaginario tejido biológico- sigan un ritmo de periodo próximo al µsegundo o incluso menos.^[7]

Fracción de singletes, tanto por uno, en un par de radicales característico (Imagen modificada de la publicación ”The radical pair mechanism of magnetoreception”, figura 4a, P. J. Hore y Henrik Mouritsen, Annual Review of Biophysics, julio 2016, fair use)

Como estamos hablando de variaciones energéticas del orden de las estructuras hiperfinas, se hace más patente el hecho de que en los análisis de la influencia en nuestra muestra biológica tengamos en cuenta aquellos campos magnéticos externos que se muevan alrededor de esos niveles energéticos, ya que es más posible que esos campos puedan provocar una conversión singlete/triplete oscilatoria adicional. Para ello necesitamos ampliar un poco la explicación de cómo es el efecto de uno de esos campos sobre el vector momento magnético de espín o nuclear -la famosa peonza de más arriba-. Se conoce como efecto Zeeman y hace que el eje “precesado”^[8] de la peonza gire con una frecuencia específica -conocida como frecuencia Larmor-, que es proporcional a la intensidad del campo con un factor de conversión de 28 kHz por µTesla de campo magnético. ¡Ahí le hemos dado! Andábamos buscando un campo magnético que se ajustara a las características de las oscilaciones hiperfinas y, mira por donde, lo vamos a tener muy a mano, ya que el campo de la Tierra se mueve entre los 30 y los 60 µTeslas. Esta fortaleza del campo va a inducir en el par de radicales una frecuencia Larmor en el entorno de 1,4 MHz (50 µT x 28 kHz/ µT), equivalente a un período de unos 0,7 µsegundos, muy parecido al de las oscilaciones hiperfinas de esos pares (de 1 a 0,01 μsegundos).

Eso ha estimulado el completar el campo de la simulación incorporando la influencia de un campo de 50 µTeslas, simulaciones que dejan muy claro una curva en la que aun se siguen observando las oscilaciones rápidas causadas por los campos hiperfinos (los de la figura anterior), pero que en la que ahora se superpone una modulación distinta con un período de 700 nsegundos (0,7 µseg), que ¡oh casualidad! corresponde a la frecuencia Larmor de 1,4 MHz. Esta diferencia en las frecuencias de oscilación producidas por las dos interacciones refleja lógicamente sus relativas fortalezas. Realmente un campo magnético externo afecta la proporción singlete/triplete.

Alteración de las relaciones poblacionales singlete/triplete producidas por un campo magnético externo y su orientación (Imagen modificada de la publicación ”The radical pair mechanism of magnetoreception”, figura 4b y c, P. J. Hore y Henrik Mouritsen, Annual Review of Biophysics, julio 2016, fair use)

La simulación también manifiesta el apreciable influjo que tiene la dirección del campo magnético externo en la proporción de estados singlete sobre el total. Esto tiene una sencilla explicación, y no solamente por el hecho de que los electrones del par de radicales puedan configuran un orbital “alargado” que claramente presenta un eje mayor en una dirección. Realmente las interacciones hiperfinas, que no dejan de ser más que resultado de dipolos conformados por los momentos magnéticos de ciertos núcleos (hablamos con anterioridad del ¹H, el ¹⁴N y el ¹⁷O) y los de espín de los electrones, definen unos campos magnéticos que, si los imaginamos en el espacio, dibujan superficies tridimensionales “equipotenciales” distintas según sean los átomos implicados y la estructura química de la molécula, y que no necesariamente tienen que ser esféricas. En la siguiente imagen se muestran esas superficies, las más relevantes, para una molécula de flavina, a la izquierda, y otra de triptófano, a la derecha, cada una de ellas centrada en siete átomos, de hidrógeno o nitrógeno. La distancia desde el átomo hasta la superficie en cualquier dirección es proporcional a la fuerza de la interacción magnética en esa dirección. Como se puede apreciar las hay más esféricas y otras, la mayoría, claramente elipsoidales o con dos lóbulos. En lenguaje cuántico eso indica un carácter isotrópico para las esféricas y para las otras, anisotrópico, es decir, más intenso en una dirección preferente. Son los matices que explican cómo las moléculas pueden “ver” la orientación de los campos magnéticos externos con una cierta preferencia, circunstancia muy útil a la hora de fijar una “brújula química”.

Moléculas de flavina (a) y de triptófano (b) sobre las que se han representado sus siete momentos magnéticos hiperfinos más importantes (ver explicación en el texto) (Imagen a partir de la publicación “Alternative radical pairs for cryptochrome-based magnetoreception”, figura 1, Alpha A. Lee et al., The Royal Society junio 2014, fair use)

Pues bien, ya tenemos idea de cómo evoluciona la población singlete/triplete en una muestra de múltiples pares de radicales según intervenga o no un campo magnético externo. Por lo que ya llevamos hablado intuimos también que el tiempo durante el que se mantiene la coherencia cuántica en el par debe ser también crucial. Lo cual nos va a definir qué tipo de molécula pueda ser candidata para generar pares de radicales útiles para la magnetocepción.^[9] Dependiendo del tiempo que transcurra antes de “la fuga” por una de las dos vías, las diferencias en las precesiones de los espines de cada uno de los dos electrones desapareados podrá ser muy diferente con respecto a las posiciones de partida. Intuitivamente podemos pensar que si la reacción es rápida, las precesiones de ambos electrones aun serán muy parecidas, por lo que habrá una mayor probabilidad de volver al estado inicial [A B], y si es lenta se habrá producido una diferencia de precesiones suficiente como para que suceda algo distinto, lo que da una mayor oportunidad a que se siga por la vía del producto C. Sabemos que esos matices de velocidad están modulados por el valor de las constantes k’s de las que hablamos más arriba: la vía  k_S^b desde un singlete y la vía unificada k_S/T^f indistintamente desde singlete o triplete.

Las simulaciones del modelo, teniendo en cuenta distintos valores de las constantes k’s y manteniendo el efecto de un campo magnético de 50 µT, dan unos resultados muy claros, tal como lo podemos ver en la figura siguiente. La curva (a) corresponde a reacciones lentas con k’s ~ 10^-6 segundos; mientras que la (c), con k’s ~ 10^-7 segundos, corresponde a reacciones un orden de magnitud más rápidas. No perdamos de vista que los valores de las constantes k’s las define el tipo de molécula, no el campo magnético externo, que lo único que hace es alterar la relación singlete/triplete en los pares generados en esa molécula. El pie de imagen explica qué son cada una de las curvas.

En gris cómo varía la proporción de singletes sin la influencia de un campo externo. Las curvas de color corresponden a las variaciones unitarias de los estados singlete pero con el influjo de un campo de 50 µTeslas. Las curvas de puntos indican la acumulación temporal del producto C  (Imagen modificada de la publicación ”The radical pair mechanism of magnetoreception”, figura 7a y c, P. J. Hore y Henrik Mouritsen, Annual Review of Biophysics, julio 2016, fair use)

Si nos fijamos en las curvas de la evolución de creación de producto C, líneas de puntos, observamos que en las reacciones lentas prácticamente todo sucede en los primeros 3 µseg, tiempo suficiente para que la frecuencia Larmor del campo, que recordemos que es de 0,7 µsegundos, actúe en profundidad en la relación singlete/triplete, como lo vemos en el perfil descendente que adopta la curva naranja. Huele a que con este tipo de moléculas se pueda desarrollar la función de brújula química: son muy sensibles a los campos. Sin embargo, cuando las reacciones son rápidas, curva (c), la degradación de singletes sigue el ritmo normal impuesto por las interacciones hiperfinas de la molécula llevándose a cabo en prácticamente unos 0,1 µsegundos en lugar de los pocos microsegundos del caso anterior. Con una vida útil tan corta, los singletes han desaparecido antes de que la oscilación Larmor de 1,4 MHz puede afectarles y tener una incidencia significativa. No hay posible efecto de brújula química. Quiero resaltar que no nos debe engañar el hecho de que haya una mayor generación de productos C en el segundo caso que en el primero, ya que eso es solamente debido a que los singletes (que llevan directamente a la posición inicial [A B] sin generar C) en el caso rápido han desaparecido más deprisa, por lo que habrá más tripletes y, por tanto, mayor posibilidad de transitar la vía del producto C. Una mayor o menor cantidad de C no es lo esencial: simplemente importa (1) que haya C, lo que ya sabemos que es lo que puede suscitar reacciones interesantes con el tiempo, y (2) que la molécula tenga las características precisas como para que se vea afectada por los campos magnéticos externos -de nuevo la brújula química-. Para completar todos los posibles escenarios podemos también preguntarnos qué es lo que pasaría si la constante “molecular” k fuera mucho menor, pongamos del orden de los 10^-4 segundos: la transformación de los pares sería mucho más lenta, por lo que la influencia del campo externo decaería ya que en esos plazos su acción empezaría a enmarañarse con los efectos del baño térmico ambiente.

En resumen, todo funciona alrededor de un “heptálogo” que espero aclare mi verborrea de escribano:

1. si alguna molécula orgánica es capaz de generar pares de radicales

2. que no degeneren hacia estados cuánticos no-coherentes antes de los pocos µsegundos (≈ 2 o 3),

3. en los que se den interrelaciones energéticas hiperfinas que oscilen con periodos en el entorno del μsegundo (≈ 0,1 a 1)

4. y que, además, sean anisotrópicas,

5. entonces su dinámica podrá verse afectada por la acción del campo magnético terrestre,

6. lo que va a introducir, según la orientación del campo, variaciones en la generación de los productos de sus reacciones químicas

7. que claramente van a modular las reacciones biológicas que van a tener lugar aguas abajo.

Tendremos por tanto una brújula química para el uso de quien la necesite. El resto lo hizo la evolución.

Y con eso queda terminado esa panorámica acerca de algo que me captó cuando lo leí por primera vez: ¿Cómo demonios podía estar encadenado el viaje irracional de ciertos animales con la física cuántica? La curiosidad me animó a investigar y en el camino disfruté y aprendí. Como espero que os haya podido pasar a vosotros.

1. En la entrada anterior nos tomamos nuestro tiempo para explicar cómo determinadas partículas atómicas se comportan como verdaderos imanes.
2. En las moléculas orgánicas nos encontramos con el ¹H que genera a 0,1 nm un momento magnético de 2,44 mTeslas; el ¹⁷O con 1,13 mTeslas o el ¹⁴N con 0,29 mTeslas. Estamos hablando además de que los acoplamientos hiperfinos de los radicales orgánicos se sitúan típicamente en el rango de los 10 a 1.000 μTeslas. Es factible que puedan interactuar entre ellos.
3. El asterisco indica que B^* se encuentra en un estado excitado y el punto • que tanto en A^• como en B^• hay un radical, un electrón solitario en el orbital externo. Antes los dos electrones cohabitaban en el mismo orbital atómico.
4. Aunque también puede suceder indirectamente desde un triplete, hay algunos físico-químicos que opinan que esa vía se transita con mucha menos, o ninguna, probabilidad. Lo explican diciendo que las condiciones de interacción hiperfina prohíben este paso desde un triplete.
5. También aquí igualamos nominalmente a las vías k_S^f y k_T^f unificándolas conceptualmente como k_S/T^f.
6. Ya que desde el singlete se produce una merma de C puesto que una parte de ellos degeneran por la vía de recuperar el estado inicial [A B].
7. Los acoplamientos hiperfinos de los radicales orgánicos se sitúan típicamente en el rango de los 10 a 1.000 μTeslas, que corresponden a vibraciones de frecuencias entre 300 kHz y 30 MHz. Esto hace que la transformación [singlete/triplete] oscile típicamente dentro de una escala de tiempo de entre 1 y 0,01 μsegundos.
8. El movimiento de precesión es el movimiento asociado con el cambio de dirección en el espacio que experimenta el eje instantáneo de rotación de un cuerpo.
9. Las particulares configuraciones químicas y físicas de cada molécula les definen un “documento de identidad” único que fija su forma de manifestarse.

¿Va a ser todo un tema cuántico? Diagrama de la transición hiperfina del hidrógeno grabada en la placa de las Pioneer (Dominio público)

Como adelanté en la entrada anterior, todo parece residir en el comportamiento de lo que se conoce como un par de radicales. En química un radical es una molécula que contiene un número impar de electrones. Un par de radicales o par radical consiste en dos radicales que han sido creados simultáneamente, generalmente a través de una reacción química. Pero también pueden generarse gracias a la acción de algún agente independiente, como puede ser un fotón con la energía adecuada.

Sabemos que la familia electrónica de un átomo, y también en una molécula, se distribuye según niveles energéticos alrededor de los núcleos.^[1] Sabemos también que de acuerdo con el principio de exclusión de Pauli en cada nivel -y orbital- solamente pueden cohabitar dos electrones y, además, con espines opuestos.^[2] Claro está que si el número atómico es impar, en el orbital más exterior sólo habrá un electrón. Pero ¿qué es eso del espín?^[3] Simplemente es una cualidad cuántica interna de ciertas partículas atómicas -como también son cualidades físicas la masa o la carga eléctrica-, que podemos asimilar a un giro mecánico aunque no tenga nada que ver con la física clásica: ambos giros están definidos por un vector, arriba o abajo (sentido horario o contrario) y cuantificados por su momento angular.

Gracias a ese momento angular de espín las partículas cargadas -en movimiento variable- generan un campo magnético, ya nos lo dijo Maxwell.^[4] En el átomo, o en una molécula, hay muchas partículas cargadas con momento angular -protones o electrones- que se comportan como pequeños imanes, con sus campos magnéticos asociados, gracias a sus espines. No se acaba aquí la nómina del “efecto imán”, ya que también el electrón gira en su orbital alrededor del núcleo e incluso en su interior los protones dan volteretas orbitales.^[5] Como podemos imaginar, todo ello dibuja dentro de un átomo una amplia panoplia de “imanes” con sus inherentes momentos magnéticos electrónicos o nucleares -cada uno de espín y orbital- acoplándose unos con otros.

Esta circunstancia introduce sutilezas en la distribución energética de la familia de electrones alrededor de un átomo o en una molécula. Estamos hablando de imanes y sabemos que es más difícil aproximarlos enfrentando sus polos iguales que si lo hacemos con sus polos opuestos. Lo cual quiere decir que los potenciales del campo electromagnético inherente son mayores en el primer caso que en el segundo. Y ello quiere decir también que cada electrón, dependiendo de las circunstancias físicas de las partículas cargadas de su vecindario -ya sea propio o ajeno- y las suyas propias, tendrá un nivel energético particular con respecto a cada uno de ellos. Lo que configura sobre la estructura gruesa de niveles energéticos lo que se conoce como estructura fina e hiperfina de átomos y moléculas.^[6] Es tal la sutileza que estaremos hablando de diferencias energéticas en esos niveles que pueden ser seis ordenes de magnitud inferiores a los que existen en la estructura gruesa.^[7]

A la izquierda ejemplo de estructuras energéticas: gruesa (n), fina (J) e hiperfina (F). El acoplamiento de los diferentes momentos angulares conduce a la división de los niveles de energía fundamental, n 1 y n 2, ya que los momentos angulares de espín electrónico y de orbital electrónico en sus orbitales S y P, se acoplan para formar el momento angular electrónico total, J. El cual se acopla al momento angular de espín nuclear, I, para formar el momento angular total, F. A la derecha dos átomos de hidrógeno, a derecha e izquierda, se unen para formar una molécula de H₂. Los orbitales 1s de los átomos se recombinan dando lugar a dos tipos nuevos de orbitales moleculares σ, uno enlazante donde estarán los dos electrones y otro antienlazante de mayor energía, donde podrá situarse uno de estos electrones si la molécula se encuentra excitada. (Imágenes de la red, fair use)

Después de lo dicho anteriormente creo que tenemos ya dibujado el campo de juego, que lo vamos a concretar en una molécula con dos electrones de espines antiparalelos -a lo bruto, un espín para arriba y otro para abajo- en su orbital más externo (ver figura anterior, derecha). Imaginemos ahora que desde el exterior llega un fotón con suficiente energía y que incide en un electrón de la pareja situada en el mismo nivel orbital, haciendo que salte a otro más externo, más energético, dentro de la misma molécula. O quizás haciendo que salte hasta el orbital de otra molécula de las cercanías, incluso haciendo voltear el espín de partida del electrón que salta. Una u otra molécula, tras el “empujón”, quedarán en un estado vibratorio excitado dentro de la arquitectura energética que hemos llamado estructura hiperfina. En el proceso el par de electrones no perderá su estado cuántico entrelazado dentro de lo que establezca su función de onda, gracias a la que sabemos que vivirán en un estado superpuesto de parejas con espines antiparalelos -espín conjunto igual a 0- o parejas con espines paralelos -espín conjunto igual a 1-.^[8] El primer caso lo conocemos como un singlete -ya lo formaban antes del “fotonazo”- y el segundo como triplete. También la ecuación de onda nos indica que, tras una medida, es más probable que veamos un triplete que un singlete. Pero mientras no miremos ¿qué es lo que hay en cada instante en ese sistema cuántico? No se sabe mientras no midamos y colapsemos su función de onda: mientras viva el par de radicales solamente sabemos que en este ente físico-matemático existen dos moléculas con dos electrones especiales, estos últimos con la posibilidad de tener a la vez espines hacia arriba o hacia abajo, a la vez paralelos o antiparalelos, y con los vectores de sus momentos magnéticos, nucleares o electrónicos, a la vez y superpuestos, hacia arriba o hacia abajo. Vamos… un lío cuántico. Lío absolutamente necesario para nuestros propósitos de magnetocepción, pues si no hubiera interacciones hiperfinas en este berenjenal no habría oscilaciones singlete-triplete, el par radical permanecería en un casi inmutable estado singlete, por lo que sólo habría monotonía en donde hincar el diente de un campo magnético externo y, por tanto, nunca se podría producir ningún efecto diferenciable que fuera como una voz que nos dijera… “mejor por aquí que por aquí”.

Con eso tenemos ya a nuestro actor principal de la función “brújula química”: el par de radicales. Un par de imanes, rotando como unas peonzas,^[9] inmersos en la estructura hiperfina de la molécula. Las diferencias energéticas son tan mínimas que aun instalada la molécula, como lo está en la realidad, en un medio macro con un gran ruido térmico -el ajetreo de las moléculas chocando entre ellas-, superior en muchos órdenes de magnitud al nivel de energía del par,^[10] parece como si se escabulleran antes de que el ajetreo molecular relaje al par llevándolo a su posición de equilibrio de partida. Análogamente, aunque no igual, a tal como se comportan la mayoría de los átomos de hidrógeno en el Cosmos que hacen su camino inmutable dentro del inmenso vacío. Como ya hemos apuntado un poco más arriba, las interacciones magnéticas hiperfinas en el par mantienen la coherencia cuántica de los espines electrónicos durante un tiempo, lo que hace que se produzca un constante vaivén entre el estado singlete y el estado triplete. Entretanto dure la coherencia ahí estará presente un intercambio de estados superpuestos. Pero también pueden pasar más cosas, tales como que poco a poco se vaya relajando la coherencia por el influjo que ejercen los movimientos moleculares -rotaciones y vibraciones- en las interacciones hiperfinas de los espines de los electrones. Evidentemente, en el mundo real, como el de la biología, no se va a producir un solo par de radicales, sino que lo normal es que se produzcan en los tejidos orgánicos, de forma aleatoria, muchos de ellos que convivan a la vez. Los miembros de esta familia se encontrarán en un estado de superposición coherente cuántica singlete-triplete. Para entenderlo vamos a abstraernos de la imposibilidad de “ver” esas superposiciones forzando nuestra imaginación para que distinga el campo singlete y el campo triplete. Es lo que pretende concretar la siguiente figura.

(Imagen modificada de la publicación ”The radical pair mechanism of magnetoreception”, figura 5, P. J. Hore y Henrik Mouritsen, Annual Review of Biophysics, julio 2016, fair use)

A la izquierda vemos una situación coherente de varios pares con sus espines antiparalelos -por tanto estaremos hablando del estado singlete-, distribuidos al azar, pero que en su promedio dan como resultado un espín total igual a cero. Como debe ser para singletes. La imagen de más al centro, pero aún dentro del espacio de coherencia, corresponde al estado triplete, en donde también hay una distribución de pares al azar, aunque ahora con sus espines antiparalelos no de forma exacta, cosa que corrige la estadística que lleva a la muestra a tener un espín total de 1, como es obligado en un estado coherente de triplete. Una fotografía y otra no están en equilibrio ya que podemos suponer que se van intercambiando con el tiempo siguiendo un particular patrón ondulatorio.^[11] Las interacciones magnéticas hiperfinas en el par mantienen viva la coherencia cuántica de los espines electrónicos un tiempo, durante el cual el constante vaivén entre el estado singlete y el estado triplete queda asegurado. Mientras dure la coherencia ahí está presente el intercambio de estados. Pero no podemos olvidarnos de que ahí sigue también el mundo macro con su paso lento e inevitable que hace que, mientras, vayan pasando más cosas: poco a poco se va relajando la coherencia de los espines por el influjo que ejercen los movimientos moleculares -rotaciones y vibraciones- sobre las interacciones hiperfinas de los espines de los electrones. Hasta perderse totalmente este especial mundo cuántico coherente que nos hizo soñar con explicarnos los fundamentos de la “brújula química”. No obstante, que no decaiga nuestro ánimo, porque antes, aunque en el orden de los pocos μsegundos, aun hay tiempo de ver cosas interesantes.

Esas cosas están relacionadas con los resultados que se pueden generar cuando aparece un par de radicales en determinadas moléculas. Nos interesan las orgánicas, ya que vamos a la búsqueda de la teoría que asegure la funcionalidad de brújula química. Una molécula con unas características dinámicas especiales en sus interacciones internas a nivel energético hiperfino que lo hagan posible. Con unas fluctuaciones dentro del entorno coherente cuántico, como lo es la superposición de estados singlete-triplete en un par de radicales, que puedan hablarse con las de un campo magnético exterior como es el terrestre. En la entrada anterior ya apuntábamos al criptocromo. En la siguiente entrada hablaremos de ello, al menos de su cuerpo teórico.

1. Con relación a los orbitales electrónicos en el átomo, y de cómo se van ordenando los electrones en ellos, podéis releer la entrada número 3, “Estructura electrónica del átomo”, de la serie “La tabla periódica” publicada en este blog de El Cedazo.
2. El principio de exclusión de Pauli es una regla de la mecánica cuántica, enunciada por Wolfgang Ernst Pauli en 1925. Establece que no puede haber dos fermiones (quarks -protones, neutrones…- y leptones -electrones…-) con todos sus números cuánticos idénticos -esto es, en el mismo estado cuántico- dentro del mismo sistema cuántico.
3. El espín (del inglés spin ’giro, girar’) es una propiedad física interna de algunas partículas elementales, como pueda ser su carga o su masa, por el cual tienen un momento angular intrínseco de valor fijo, que no tiene nada que ver con el que resulta de un giro mecánico clásico de la partícula.
4. Con relación a este tema de correlación entre magnetismo y electricidad podéis leer esta entrada, “Las ecuaciones de Maxwell”, de la serie homónima publicada en el blog El Tamiz.
5. Al igual que en el espín, también los giros orbitales pueden llevarse a cabo en los dos sentidos.
6. En el blog de El Tamiz se publicó una entrada que deja muy claro todo el tema de la estructura hiperfina: “¿Qué es la estructura hiperfina?“.
7. Por ejemplo en el hidrógeno, el salto energético entre los niveles orbitales 1 y 2 -estructura bruta- es de 10,2 eV, mientras que la hiperfina dentro del nivel 1 es de 5,9 10^-6 eV y en el nivel 2 es 4,4 10^-6 eV.
8. Con respecto a los conceptos cuánticos de entrelazamiento y superposición vuelvo a llevaros de la mano al blog El Tamiz, serie “Cuántica sin fórmulas“, entrada “Superposiciones cuánticas” y entrada “El entrelazamiento cuántico”.
9. Los propios campos magnéticos internos, y los externos, interfieren en el vector del espín haciendo que se incline con relación a la posición de equilibrio. La frecuencia de la rotación es proporcional al valor del campo magnético que produce la precesión del eje.
10. La interacción hiperfina de una molécula en condiciones fisiológicas, digamos en el mundo real de la Vida, es más de un millón de veces más pequeña que la energía térmica, k_BT, que la rodea. La ecuación k_BT (la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura) cuantifica la energía asociada con los movimientos aleatorios de las moléculas, siempre presentes, a medida que chocan entre sí, giran y vibran.
11. Conoceremos este patrón en la siguiente entrada.

Líneas del campo magnético terrestre (Imagen de la red, fair use)

Aquí entra la física cuántica aplicada y el especial momento magnético -asimilable a un imán- que la luz condiciona en las molécula de criptocromo de nuestros ojos. La particular arquitectura esférica de la retina, en donde el fotorreceptor criptocromo^[2] está instalado a lo largo y ancho de toda ella -lo que dibuja un abanico de orientaciones- permite asegurar una rica variedad en la orientación espacial de esos sensores luminosos. La luz -la energía de los fotones- modifican la configuración electrónica en el criptocromo, confiriéndole un momento magnético particular que no solamente es muy sensible a campos magnéticos débiles, sino que también lo es al ángulo entre los vectores del campo magnético intrínseco a la molécula y el terrestre. Ahora no voy a avanzar más en la explicación física de detalle, que dejo para la siguiente entrada: aún estamos en el momento de “La prueba“, como encabezo el escrito de hoy.

Podemos pensar que el ojo de la imagen siguiente es el ojo de un pájaro en cuya retina, como ya hemos comentado, se encuentran las células fotorreceptoras que intervienen en el proceso de la visión -conocidos son los conos y los bastones- y en su interior las moléculas sensibles a la luz -la rodopsina o el criptocromo-.^[3] La imagen nos propone dos posibles localizaciones de la última molécula en esta estructura retinaria: bien entre dos discos de la cabeza de los bastones, bien en el interior de la membrana de estos discos. De cualquier forma una disposición típica que se repetirá por toda la retina, lo que crea aquel rico abanico de orientaciones en las moléculas del criptocromo del que hablábamos en el párrafo anterior. Especial disposición que necesitamos para que en cada punto retiniano se produzca una respuesta distinta cuando le llegue la luz, ya que en cada uno de esos puntos la molécula de criptocromo va a estar orientada de diferente manera con respecto a la inclinación del campo magnético terrestre externo, cuyo vector presenta una orientación única en cada punto concreto de la superficie del planeta.

Ilustración esquemática del ojo de un pájaro y algunas de sus componentes más importantes a efectos de fijar una brújula “química” (Imagen a partir de la publicación “Acuity of a Cryptochrome and Vision-Based Magnetoreception System in Birds”, figura 1, Ilia A. Solv’yov, Biophysical Journal, julio 2010, fair use)

La posibilidad de que exista esta correlación entre luz y campo magnético es lo que querían investigar el biofísico Torsten Ritz y sus colaboradores^[4] en un estudio en el que no sólo demuestra teóricamente que los campos magnéticos con intensidades del orden del geomagnético, e incluso más débiles, pueden producir reacciones biológicas, sino también que éstas son significativamente diferentes según sea la alineación del campo magnético con respecto a la molécula excitada por la luz, como pueda ser el criptocromo: ¿podrían estas diferentes respuestas ser similares a las que generan las rodopsinas en la retina ante un estímulo luminoso y que son el primer paso de la percepción visual? ¿De alguna manera se “ve” el campo geomagnético?

Para ello partieron de un modelo de ojo teórico, que podemos ver en la figura siguiente, con una pupila puntual y una retina esférica en la que los receptores de la luz se encuentran dispuestos aleatoriamente de forma perpendicular a la membrana. Esta característica facilita la idea base mencionada más arriba de que todo pueda depender de algún tipo de alineación física con el campo magnético. En cualquier punto geográfico, con una determinada latitud, el campo geomagnético tiene una inclinación particular definida por las flechas B. Eso va a hacer que dos rayos de luz, 1 y 2, al incidir sobre la retina en puntos diferentes, generarán en los correspondientes cromóforos pares de radicales^[5] con una orientación propia y “preferente” con respecto a la curvatura de la retina.^[6] Por tanto cada uno, al seguir la curvatura de la retina, presentará una inclinación propia y distinta con respecto al campo magnético terrestre B, que también variará según sea la orientación de la cabeza definida por la línea del eje visual O’OC. Lo que quiere decir que a lo largo y ancho de la esfera ocular se producirá una modulación en la sensibilización de los receptores de luz en el ojo, modulación que dará como resultado un patrón variable de respuesta biológica en los receptores de luz del ojo.

Modelo de ojo utilizado para el cálculo de patrones de modulación visual. Los rayos 1 y 2 ingresan a través de un agujero infinitesimal en O’ y se proyectan sobre una retina esférica. Se supone que las moléculas receptoras están orientadas de manera normal a la superficie de la retina (direcciones z1 y z2), formando así ángulos diferentes con la dirección del vector de campo magnético B (Imagen de la publicación “A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, figura 5, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000, fair use)

El modelo establece un patrón visual base que consiste en suponer que el ave mira a una pantalla gris uniforme. Según sea la posición teórica del fotorreceptor sobre la retina, éste va a generar una respuesta diferente que se valora en el modelo con un número entero que va de 0 a 255. El cálculo se realiza sobre la base de una ecuación lineal referida al ángulo entre el eje de visión y el del campo magnético. Fijada esa ecuación, el modelo va a suponer una alteración de la dirección del eje de visión con la orientación del campo magnético base para después calcular qué pasa en la modulación de los grises de la pantalla. Evidentemente el algoritmo es algo más complejo, ya que incorpora la influencia de la reacción “cuántica” producida por un campo magnético, lo que a esas alturas de la entrada ya podemos suponer que es la clave de todo el proceso.^[7] El cálculo efectuado por el equipo de Ritz dio como resultado un patrón de grises que correspondía a las diferentes respuestas teóricas en la retina, que los autores suponían se podían transducir a señales nerviosas en el nervio óptico que, tras culminar en la corteza visual del cerebro, generaran allí algún tipo de imagen visual. Aclaran los autores que esto es simplemente una hipótesis cuya validez quedaría supeditada, claro está, a posteriores investigaciones que comprobaran (1) si ese fenómeno es posible fisiológicamente (en principio lo debe ser, ya que en su base replicaría lo que pasa con la luz/rodopsinas, pero en este caso “luz+campo magnético/criptocromo”); (2) cuál pueda ser el camino neurológico hasta el encéfalo y (3) qué zona en él respondería a estos estímulos nerviosos.

Patrones en la modulación de la percepción “visual” por la acción de un campo magnético de 0,5 gauss en un ave que vuela siguiendo diferentes orientaciones con respecto al vector de dicho campo (Imagen modificada de la publicación ”A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, figura 6, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000, fair use)

A pesar de estas últimas incógnitas a resolver, resulta interesante el visualizar los resultados que obtuvo el modelo, que se recogen en la imagen anterior, donde cada cuadrícula simboliza el campo de visión del ave con la modulación de grises salida del cálculo, caso a caso, según sea la orientación del ave con relación a la del campo magnético de 0,5 gauss y en las mismas coordenadas geográficas (la inclinación del campo B es constante y en este ejemplo es de 68º) . Ello se informa en los croquis anexos del vuelo del ave y la dirección del campo B. Estos patrones corresponderían a dos tipos de circunstancias del vuelo: o bien el ave vuela hacia arriba o hacia abajo en el mismo sitio; o bien el ave vuela atravesando diferentes latitudes geográficas donde el campo va variando su inclinación con respecto a la superficie terrestre por lo que, en consecuencia, también lo hará con respecto al eje de vuelo del ave.

El modelo también hizo el análisis para un vuelo paralelo al suelo en un punto geográfico determinado, pero variando su dirección con relación a la particular rosa de los vientos del lugar donde volaba el ave. El resultado fue el siguiente.

Patrones en la modulación de la percepción “visual” de un ave que vuela según diversas orientaciones de la rosa de los vientos en un punto geográfico fijo, lo que fija también la orientación del vector del campo magnético (Imagen modificada de la publicación ”A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, figura 6, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000, fair use)

El estudio de Ritz (2000) es significativo porque posiblemente fue el primero que se abordó buscando una explicación, y una consecuencia biológica concreta a lo que parecía ser la existencia de una especie de brújula química en algunos animales. Después se han llevado a cabo muchos más, como el del biofísico Ilia A. Solov’yov y colegas en 2010 que traigo a colación aquí simplemente por la siguiente composición de imágenes que me parece que entra directamente por la vista.^[8]

(Imagen de la publicación ”Acuity of a Cryptochrome and Vision-Based Magnetoreception System in Birds”, figura 6, Ilia A. Solov’yov et al., julio de 2010, fair use)

Como dicen los mismos autores: “Vista panorámica en Frankfurt am Main, Alemania. La imagen muestra la perspectiva del paisaje registrada desde una altitud de vuelo de pájaro de 200 metros sobre el suelo con las direcciones cardinales indicadas [...] A efectos de claridad de la ilustración mostramos el patrón generado por el campo magnético solo en escala de grises (que reflejaría el patrón percibido si la ruta neuronal de la percepción visual magnética estuviera completamente separada de la ruta neuronal visual normal [nota de jreguart: observad la semejanza con los patrones propuestos en el estudio de Ritz]) y además el mismo patrón agregado a la imagen visual normal que el pájaro ve [lo que sucedería] si la visión magnética y la visión normal utilizasen la misma vía neuronal en la retina. Los patrones se muestran para un pájaro mirando hacia ocho direcciones cardinales (N, NE, E, SE, S, SW, W y NW). El ángulo de inclinación del campo geomagnético es de 66 °, siendo un valor característico de la región.”

Ahora bien, nadie sabe cuál puede ser el camino de la información “visual” magnética; si tiene vías neuronales propias o si las tiene compartidas con las vías de la visión luminosa normal. Algunos estudios^[9] parecen reconocer que el clúster o grupo N,^[10] un conjunto de regiones de la parte anterior del cerebro en las aves canoras migratorias nocturnas, puede estar involucrado en el procesamiento de la información de la brújula magnética mediada por la luz ya que muestra una alta activación de expresión génica dependiente de la actividad durante la visión nocturna. Además, si se desactiva esta zona neural las aves no pueden utilizar ya su brújula magnética para orientarse, aunque sí mantienen algún otro tipo de georientación. Otro estudio de 2007^[11] demuestra que existe una conexión neuronal funcional entre las neuronas retinianas y el clúster N a través del tálamo visual. Si eso es correcto parece que quedaría respaldada la hipótesis de que las aves migratorias usan su sistema visual para percibir la dirección de la brújula de referencia del campo geomagnético y que las aves migratorias realmente “ven” la dirección de la brújula de referencia proporcionada por el campo geomagnético. Quizás la imagen de Frankfurt am Main de más arriba no sea al final tan fantástica como parece.

Imagen de las estructuras cerebrales de un ave migratoria: CtB (ojo), BDA (clúster N) y Gld (núcleo geniculado dorsolateral del tálamo)(Modificada de la publicación: Heyers D, Manns M, Luksch H, Güntürkün O, Mouritsen H (2007) “A Visual Pathway Links Brain Structures Active during Magnetic Compass Orientation in Migratory Birds”, figura 1.A. PLoS ONE 2(9): e937. doi:10.1371/journal.pone.0000937)

Después de lo comentado ya sólo nos queda dar la explicación física al trasfondo de la brújula química de las aves hecha de luz y criptocromo. Nos vamos a zambullir en un mundo cuántico que intentaré hacer lo menos críptico posible. Pero será en dos entradas posteriores que tras la anterior, “El hecho“, y ésta, “La prueba“, subtitularé como “La teoría 1: El par de radicales“ y “La teoría 2: La brújula” .

1. La energía de un enlace químico suele ser de 10 a 100 veces superior a la energía térmica ambiental. A temperaturas fisiológicas habituales, la energía cinética de las moléculas biológicas es 11 órdenes de magnitud mayor que la energía del campo magnético de la Tierra. La energía con la que una molécula puede interactuar con ese campo puede ser seis órdenes de magnitud menor, o incluso menos, al ruido térmico ambiente.
2. Los criptocromos (del griego κρυπτό χρώμα, “color oculto”) son una clase de fotorreceptores de luz azul de plantas y animales. Constituyen una familia de flavoproteínas que regulan ciertas respuestas en plantas y animales.
3. En este blog se publicó una explicación detallada del sentido de la vista en la serie “Los sistemas receptores”, en particular en la entrada 09 “La visión I. Detección”.
4. Para más detalle ver la siguiente publicación de Biophysical Journal, febrero de 2000, “A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, de Thorsten Ritz, Salih Adem y Klaus Schulten.
5. Un cromóforo es la parte o conjunto de átomos de una molécula responsable de su color. Aunque también se puede definir, y es lo que ahora nos interesa, como una sustancia que tiene electrones capaces de absorber energía de diferentes longitudes de onda electromagnética, dando como resultado la excitación de esos electrones hacia estados de mayor energía. En este contexto pueden producirse pares de radicales, cuya explicación de lo que son y de la física enredada en ellos, como vengo anunciando, daré en las siguientes entradas.
6. Realmente lo que está orientado de forma “preferente” es el vector del campo magnético molecular.
7. Para el cálculo de la alteración de la visión s’(θ) se utiliza la siguiente ecuación lineal s’(θ) = 127 + 255 [(Ф(θ) – Ф_med)M]. Donde Ф(θ) es el ratio de generación del producto de la reacción fotoquímica (el que va a producir el efecto “visual”) en un punto de la retina bajo el ángulo θ;  Ф_med es el promedio de los rendimientos Ф(θ) sobre todos los ángulos; y M un factor multiplicador concreto y fijo. La dependencia angular de s’(θ) a menudo está cerca de un patrón cos(2θ), como se muestra en la figura siguiente del texto. Una conclusión que podemos extraer de ello es que el efecto del campo geomagnético será idéntico si el campo (o el par radical) se invierte en 180º. Para más detalle ver  la publicación ”A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds“, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000.
8. No obstante todo lo dicho acerca de estas representaciones gráficas, hay estudiosos del tema que las ponen en un contexto crítico, como es el caso del químico Peter John Hore que en su artículo, escrito a medias con el biólogo Henrik Mouritsen, “The radical pair mechanism of magnetoreception” y publicado en Anual Review of Biophysics, julio 2016, afirma: “Se desconoce completamente cómo se procesa la información de las células magnetorreceptoras primarias, por lo que cualquier intento de modelar lo que el ave realmente percibe debe ser necesariamente ingenuo y potencialmente engañoso”.
9. Como este “Lateralized activation of Cluster N in the brains ofmigratory songbirds”, Miriam Liedvogel et al., European Journal of Neuroscience, 2007; o este otro “Visual but not trigeminal mediation of magnetic compass information in a migratory bird”, Manuela Zapka et al., Nature 2009 .
10. Los pájaros cantores migratorios nocturnos poseen un grupo compacto de regiones cerebrales altamente activas sólo durante la visión nocturna. Este grupo llamado “grupo N” está ubicado en la superficie dorsal del cerebro y es adyacente a una vía visual conocida. Para más información ver la siguiente publicación “Night-vision brain area in migratory songbirds“, Henrik Ø. Mouritsen et al., PNAS junio 2005.
11. Este, “A Visual Pathway Links Brain Structures Active during Magnetic Compass Orientation in Migratory Birds”, Dominik Heyers et al., Plos One 2007

Típica formación en V de gansos en plena migración. Fuente: Wiki Commons

Hubo una temporada en que la mascota de mis hijos fueron los patos, animales que necesitan su propio y particular hábitat difícilmente reproducible en una vivienda urbana. Efectivamente, con los calores veraniegos los animales se estresaban, ya que necesitaban un ambiente con abundante agua. Llegado este momento los trasladábamos a algún estanque de un parque cercano a nuestra vivienda. Un año le tocó a “Juanito”, así le llamábamos, que fue solícitamente devuelto a la naturaleza a unos cinco kilómetros de casa. Sorprendentemente, a los pocos días le vi que volvía ¡andando! por nuestra calle, de vuelta a su hogar. Puedo llegar a entender su querencia, pero ¿cómo lograría orientarse a través de un circuito prácticamente urbano en su totalidad? Sin referencias visuales, ya que le habíamos llevado al estanque en un coche. No recuerdo si Juanito había nacido en casa o nos lo habían regalado… De cualquier forma ¡sorprendente!

Es un caso muy particular. La habilidad está muy generalizada: la encontramos hasta en algunos seres unicelulares, como las bacterias Aquaspirillum magnetotacticum; en insectos como la hormiga negra migrante brasileña Pachycondyla marginata con sus antenas rellenas de partículas magnetorreceptoras o la mariposa monarca (Danaus plexippus) que desde Canadá migra a Méjico y vuelta, apareándose y teniendo descendencia por el camino, siendo así que las que llegan no son las que partieron. También la vemos en peces como los salmones reales, Oncorhynchus tshawytscha, que después de un año de libre vida marina vuelven a sus puntos de nacimiento para desovar utilizando la información que les llega del campo magnético terrestre, con la que localizan la posición aproximada de su río natal, para luego afinar al entrar en juego el olfato. Lo mismo observamos en un buen número de especies de aves que cambian su habitación dependiendo de las condiciones meteorológicas estacionales, desplazándose miles de kilómetros, como así lo hace el petirrojo europeo, Erithacus rubecula, que vuela entre el norte de Europa y el noroeste de África. El nórdico caribú (Rangifer tarandus), el africano ñu (Connochaetes) o la oceánica ballena austral (Eubalaena australis) nos dicen que también la migración es patrimonio de los mamíferos. ¿Cómo consiguen los animales volver a un punto geográfico determinado y característico para ellos? ¿Cómo se dispara el impulso de iniciar la emigración? ¿Cómo saben las coordenadas a las que llegar y correlacionarlas con las suyas particulares en cada momento? Son preguntas aún sin claras respuestas, aunque los estudiosos del tema algo saben.

En esta entrada nos vamos a centrar exclusivamente en un aspecto muy parcial del tema. Cuando supe de él me sorprendió por lo curioso del asunto y lo poco habitual de su divulgación, creo yo.^[1] Tengo que reconocer que lo que voy a contar es aún un “posible”, una hipótesis de herramienta biológica para la orientación animal, de la que hay que decir que, aunque su rastreo científico (muy abundante) hasta la fecha va en buena línea, el círculo explicativo teórico aún no está completamente cerrado, lo mismo que sucede también con otras hipótesis acerca de la emigración animal. Lo específico del tema es que la idea mezcla la biología con la física a nivel cuántico.^[2]  Me diréis que ¡vaya obviedad!, la biología, como cualquier entorno físico, a nivel atómico se sustenta en la cuántica. Sí señor, así es, pero en ese caso observaremos un tema muy concreto y en absoluto generalista.

Ya hemos comentado cómo los peces migrantes se orientan en gran medida gracias a su olfato y también gracias a su sentido de magnetocepción, que es la capacidad que tienen algunos seres vivos de detectar la dirección y el sentido del campo magnético terrestre. Es decir, al igual que un marino o un simple excursionista se manejan por el mundo usando mapa y brújula, los animales también tienen las prestaciones de esta última. Ya sabemos que la brújula es un aparatito con una aguja imantada que se empeña en señalarnos la orientación de los polos en cualquier punto geográfico que nos encontremos. Para el que no tenga la idea clara, la Tierra se comporta como un gran imán generador de un campo magnético. Eso es debido a que parte de su núcleo está compuesto principalmente de hierro y níquel fundidos, formando una masa que se mueve por arrastre inercial del movimiento de giro del planeta y por corrientes convectivas en su interior. Simplificando mucho, estos metales, altamente conductores, llevan asociados un campo eléctrico, y como se mueven -en el fondo resulta un campo eléctrico variable- generan un campo magnético según nos explicó nuestro querido James Clerk Maxwell.^[3] El campo magnético terrestre dibuja sus líneas que parten y convergen sobre uno u otro polo magnético.^[4] Por lo que una brújula de tipo de aguja imantada nos va a decir dónde está el polo norte y donde el polo sur.

Esquema del iman terrestre y la distribución de sus líneas de campo magnético. La superficie del planeta está representada por la línea verde (Imagen de wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Pues bien, los animales aprovechan (más bien, la evolución les ha impreso una pauta genética de funcionamiento) el campo magnético terrestre y las características locales de sus líneas de campo para orientarse en sus desplazamientos. Parece demostrado su aprovechamiento mediante “artilugios” biológicos internos que copiarían a una brújula: haciendo uso de cadenas de cristales ferromagnéticos como la magnetita (Fe₃O₄) o la greigita (Fe₃S₄) que se encuentran en el interior de células conectadas con el cerebro, incluso en neuronas, pueden alinear sus posiciones espaciales con el campo magnético terrestre. Realmente no sabemos muy bien cómo lo hacen, ya que el campo magnético es muy débil como para orientar directamente a estos pequeños imanes, aunque realmente pensamos que sí lo hacen.^[5] Pudiera ser que los cristales de magnetita puedan pasar información del campo geomagnético al sistema nervioso de varias maneras diferentes. Una posibilidad es que tales cristales ejerzan presión sobre ciertos receptores neuronales a medida que las partículas se alinean con el campo. Otra posibilidad es que la rotación de los cristales de magnetita intracelular, al colocarse de acuerdo a las líneas del campo magnético, podría abrir en las neuronas canales iónicos a través de conexiones, mediados por los filamentos del citoesqueleto. Sea como sea sabemos, o lo intuimos, que algo parecido sucede en las palomas, las truchas, las abejas, las hormigas y otros animales. Incluso los humanos tenemos magnetita en nuestro hueso etmoides^[6] aunque no hagamos un uso consciente de ello.

Sin embargo, hay animales que, teniendo claramente desarrollado el sentido de magnetocepción, o bien no precisan para ello saber dónde está el polo norte o el polo sur -lo que elimina la solución tipo brújula magnética-, o bien necesitan de otros estímulos, como la luz, para que dicho “sentido” sea efectivo. ¿Cómo se orientan entonces? ¿Cómo detectan el campo magnético terrestre? ¿Cuál es el artilugio biológico que apoya y complementa su magnetocepción? Diversos experimentos realizados con animales en el laboratorio nos han proporcionado pistas para nuestro propósito: pudiera ser que en el mundo animal real la luz y el criptocromo, un pigmento fotorreceptor, tengan ambos un papel fundamental en la magnetocepción.

El pigmento fotorreceptor criptocromo^[7] es sensible a la luz, característica que es utilizada por plantas y animales. Nosotros los humanos lo tenemos en la retina, aunque hay insectos que los tienen incluso en las antenas, lo que no nos debe sorprender ya que en estos apéndices se sitúan algunas de sus terminales sensoriales.

Vamos a analizar la imagen de derecha a izquierda. La molécula de flavina, dentro del criptocromo, tiene una orientación particular. La molécula de criptocromo dentro de la retina, dependiendo del punto donde se encuentre, tiene también su particular orientación con relación a la del ojo. Como las moléculas de criptocromo se sitúan por toda la retina, nos podemos imaginar que en cada punto la reacción fisiológica, muy sensible a la orientación de la luz que le llega, podrá ser muy variada y específica del punto concreto de la retina (Imagen del artículo “Acuity of a Cryptochrome and Vision-Based Magnetoreception System in Birds”, figura 2, Ilia A. Solov’yov et al., Biophysical Journal, julio 2010, fair use)

¿En que consiste esta sensibilidad a la luz del criptocromo? En este momento no voy a entrar en la explicación física que sustenta el fenómeno, lo que voy a dejar para una futura entrada en el blog. Ahora sólo diré que la luz, la energía de los fotones, modifican la configuración electrónica en el criptocromo, confiriéndole un momento magnético particular que no solamente es muy sensible a campos magnéticos débiles, sino que también lo es al ángulo entre el campo magnético molecular y el terrestre. Lo que parece una buena base para una especie de brújula.

A través de estudios en el laboratorio con aves migratorias se ha podido demostrar que al verse sometidas a campos magnéticos artificiales oscilantes su innata capacidad de geo-orientación podía verse alterada, incluso para frecuencias más débiles que las del campo magnético terrestre. Con la particularidad de que hay una franja pequeña de frecuencias, en el entorno de 1,3 MHz, en el que se magnificaba el efecto.^[8] En otros experimentos los pájaros se veían desorientados cuando se les exponía a campos magnéticos verticales -remarco lo de verticales, lo que indica orientación- en la banda de frecuencias entre 0,1 y 10 MHZ; o a un campo único de 7 MHz superpuesto al campo magnético terrestre. En este último caso el efecto dependía del ángulo entre los dos campos, el de 7MHz y el terrestre -no sólo en el mismo plano (posible brújula magnética), sino que, remarco lo dicho antes, también en un plano vertical-.^[9] Un fenómeno que es consistente con lo que comentábamos en el párrafo anterior. Algo interno en el ave entra en resonancia con la vibración del campo magnético externo, dándole pistas para su orientación.

Es decir, que los animales no sólo “saben” donde está el polo norte o sur, sino que parece que también sacarían provecho del ángulo de inclinación de las líneas del campo magnético terrestre sobre la superficie en el punto geográfico donde se encuentran. Vamos a intentar ampliar la explicación de esta sorprendente habilidad en la siguiente entrada, que denomino como “La prueba“.

1. Es ciertamente mi impresión, pero parece que gustan más otros aspectos de esta interesante materia, como puede ser la orientación geomagnética atendiendo a moléculas orgánicas con minerales de hierro. Vamos, una brújula normal y corriente.
2. Una apuesta un tanto controvertida. Copio de Wikipedia: “La Biología cuántica es la rama de la Biología que estudia procesos que tienen lugar en seres vivos y que se basan en efectos característicos de la mecánica cuántica tales como la superposición de estados, la coherencia cuántica o el efecto túnel. En cierta forma, aunque toda la Biología es implícitamente Química y toda la Química se basa implícitamente en la mecánica cuántica, la biología cuántica se refiere específicamente a la influencia de los fenómenos cuánticos no triviales, en oposición a los llamados fenómenos cuánticos triviales presentes en toda biología por la reducción a la física fundamental” … “En el último capítulo del libro “Quantum Aspects of Life”, titulado “Efectos cuánticos no triviales en Biología: el punto de vista de un físico escéptico”, sus autores, los físicos Howard M. Wiseman y Jens Eisert, diferencian entre efectos cuánticos reales -o al menos plausibles- entre los que destacan excitaciones coherentes de biomoléculas, el efecto túnel cuántico de protones, las fuerzas de van der Waals, las dinámicas ultrarápidas a través de intersecciones cónicas y el túnel cuántico de electrones asistido por fonones como base del sentido del olfato; y otros más exóticos, no probados, y a su juicio implausibles, entre los que destacan el comienzo cuántico de la vida, la computación cuántica en el cerebro, la computación cuántica en la genética y la conciencia cuántica.”
3. Como muy bien nos lo ha contado Pedro Gómez-Esteban en la serie acerca de las ecuaciones de Maxwell publicadas en el blog El Tamiz.
4. Los polos magnéticos terrestres se encuentran muy próximos a los polos geográficos -extremos físicos de la esfera terrestre- y no son fijos con el tiempo. Dependiendo de las condiciones del magma del núcleo el polo norte geográfico será vecino del polo norte magnético o del polo sur magnético, y viceversa en el polo geográfico sur. Circunstancia ésta, la del cambio de polaridad del campo magnético terrestre, de la que los científicos han hecho uso, entre otras cosas, para datar geológicamente terrenos.
5. La energía de un enlace químico suele ser de 10 a 100 veces superior a la energía térmica ambiental. A temperaturas fisiológicas habituales, la energía cinética de las moléculas biológicas es 11 órdenes de magnitud mayor que la energía del campo magnético de la Tierra. La energía con la que una molécula puede interactuar con ese campo puede ser seis órdenes de magnitud menor, o incluso menos, al ruido térmico ambiente.
6. Este hueso forma parte de la base del cráneo separando nuestras estructuras olfativas sensoriales de las neuronales. Claramente esta magnetita residual es indicio de un individuo común con el resto de las especies que también las tienen, del que ellas y nosotros lo habríamos heredado. A nosotros se nos ha olvidado hacer uso evidente de ello, seguramente porque la capacidad de razonamiento humano ha ideado otros métodos de orientación.
7. Los criptocromos (del griego κρυπτός, ‘oculto’ y χρώμα, ‘color’) son una clase de flavoproteínas -proteínas que contienen un grupo flavina en la forma FAD o en la forma FMN- que son sensibles a la luz azul.
8. Ver el artículo de Erik Gauger et al., “Quantum coherence and entanglement in the avian compass”.
9. Ver el artículo de T.Ritz et al. “Resonance effects indicate a radical-pair mechanismfor avian magnetic compass”, Nature, mayo de 2004.

Joseph LeDoux, neurólogo y divulgador.

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Por casualidad hoy es día 1 de enero de 2020. Así que es un gran placer el poder desearos un ¡¡muy buen y feliz año nuevo!!

Pues sí, llegó el final de esta serie sobre el Conectoma cerebral. A través de ella nos hemos movido por las redes cerebrales en sus vertientes más anatómicas y algo más, hemos visto cómo de sus estructuras iban apareciendo funcionalidades, algunas tan sui géneris como la actividad de la red por defecto o la aparición de una experiencia tan personal como la consciencia. O cómo podemos detectar este estado tan peculiar mediante una serie de marcadores somáticos que lo ponen al descubierto. También hemos visto cómo los neurólogos, y estudiosos de otras ramas de la ciencia se han movido intentando analizar a nuestro cerebro desde un punto de vista topológico, matemático e informático. Buscando cómo de una estructura material anatómica puede surgir la función, ¡difícil tarea! Aunque en su ayuda llegan los más osados intentando encontrar explicaciones alternativas a las más tradicionales. Así, hay un mundo que estudia el conectoma aplicando teorías de redes, otros que intentan bajar al suelo las volatilidades del cerebro intentando buscar parámetros medibles de complejidades neuronales, de interrelaciones dinámicas, de informaciones integradas y… mucho razonamiento lógico matemático. Veremos hasta dónde llegamos los humanos… estoy convencido de que muy lejos. Y estoy también convencido de que para bien de todos.

Casi como resumen me gustaría dar mi opinión personal sobre la esencia de nuestro cerebro, dibujar su retrato con unas breves pinceladas. Perdonen mi osadía:

- Es un órgano que nos regaló la evolución para dirigir nuestra acción en la complicada tarea de la supervivencia.

- Es un órgano encerrado en una caja de hueso, con una serie de información de entrada y salida muy inferior a la que realmente define su entorno. Y muy inferior a la que gestiona en su interior.

- En consonancia con lo anterior, y como lo hace muy bien, tenemos que pensar que es un gran inventor. Se inventa el exterior, se inventa lo que hay que hacer y lo contrasta continuamente. No le importa tanto la exactitud… le importa la eficacia.

- Este amasijo celular que tenemos en el cráneo se compone básicamente de neuronas (y otras células) y sus proyecciones, por donde se intercomunican. Esta red de influencias es, gracias a los cielos, cambiada continuamente por la experiencia.

- Esta red física de enlaces y “conversaciones” está estructurada a través de diversas escalas jerárquicas. Lo cual no quiere decir que haya un claro escalafón de actividad y “decisión”, ya que en todos los niveles hay comunicación interna y la hay también entre todas las escalas.

- La función cerebral surge precisamente a partir de la acción coordinada de los elementos neurales organizados en forma de ese complejo sistema multiescala.

- Pero la función emerge no de las propiedades y habilidades de las “obreras”, las neuronas, sino de las características del conexionado entre ellas o entre los grupos neuronales. Según sea la conexión en cada momento, así será la acción sugerida para dicho momento.

- La organización del cerebro básicamente no se diferencia prácticamente en nada con la organización de otros sistemas de redes “sociales” (en el sentido de redes que comunican elementos que se hablan y se influyen). Hay grupos de trabajo y hay grupos más selectivos de influencia.

- El cerebro, además de movernos exitosamente por la vida, hace algo fabuloso que hemos decidido llamar “pensar”. Con todas sus ramificaciones. Desde un estado consciente.

- Este estado es una emergencia inmaterial, aunque la percibamos, del sistema anatómico y neurofisiológico que es el cerebro. Como cualquier tipo de emergencia, no puede contravenir o poner en un brete al sistema de donde sale. La consciencia es, por tanto, fruto de un proceso material cerebral.

- Y aunque comenzamos a saber los correlatos neuronales que son el fondo de esta emergencia, tenemos firmes sospechas de que todo consiste en generar mucha información y en integrar esta información. Un proceso para algunos. Menos que un proceso para otros… simplemente una característica inherente al sistema neuronal, como su masa. Quizás al cerebro complejo humano no le ha quedado más remedio que ser consciente.

Este es mi amigo el cerebro, al que admiro y deseo mucha vida. Mucha vida que surja gracias a la inquietud de grandes investigadores humanos. Una máquina admirable y asombrosa, tanto como la Existencia entera. Ésta es mi humilde opinión, claro está.

Esta serie ha cristalizado, casi de forma involuntaria para mí y autónoma para la serie, durante el intento de que siguieran un hilo ordenado los apuntes extractados a partir de múltiples lecturas de libros y artículos especializados. Muchos momentos felices y trabajosos. Entre los primeros, los libros, destaco los siguientes:

a. “Discovering de Human Connectome”, Olaf Sporns, 2012.

b. “Connectome: How the Brain’s Wiring Makes Us Who We Are”, Sebastian Seung, 2012.

c. “A Universe of Consciousness: How matter becomes imagination”, Gerald M. Edelman y Giulio Tononi, 2000.

d. “La conciencia en el cerebro: Descifrando el enigma de como el cerebro elabora nuestros pensamientos”, Stanislas Dehaene, 2014.

e. “El cerebro: nuestra historia“, David Eagleman, 2017.

No son muchos, pero absolutamente reveladores.

Ya sólo queda poner a vuestra disposición el pdf de la serie. El cual podréis consultar en línea, en vuestros gadgets o, lo que más me gusta a mí -soy un “mayor” romántico-, encuadernados en papel en la copistería de vuestra esquina. En blanco y negro… no es demasiado caro. En este pdf he incorporado otras aportaciones mías a El Cedazo, como son la miniserie de “El cuento de la neurona” y la de el “Cerebro: Del año 0 al año 20“.

Gracias a Mac, editor de El Cedazo por sus correcciones y apoyo, y gracias a los que habéis seguido la serie. En el fondo habéis sido una gran motivación en mi trabajo y estudio.