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.

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.

Quiero hacer hincapié en que es “una teoría”, en el sentido que le da el diccionario de la lengua española: “Conocimiento especulativo considerado con independencia de toda aplicación”… por ahora, añadiría yo. Es una teoría que en base a modelizar las redes informativas, lo que permite un estudio y aproximación matemática, intenta poder definir cuáles son más propensas a generar estados de consciencia. Claro, habrá que decidir antes qué entendemos por “estados de consciencia”. Lo que nos lleva a los planteamientos de Edelman acerca de la “consciencia primaria“, aquella que no se enreda en planteamientos metafísicos como la existencia de un Yo o en una capacidad de razonamiento superior. Simplemente, consciencia primaria es aquello que nos permite saber que estamos conectados con nuestro entorno y nuestro cuerpo, lo que recuperamos cuando nos despertamos de un sueño. Y, ¡OJO!, eso hay que tenerlo muy en cuenta a la hora de valorar la conclusión que propongo en el fin de entrada.

En las entradas referenciadas en el primer párrafo^[2] acerca del pensamiento de Edelman, ya se vio que definía como esenciales para este tipo de consciencia las siguiente dos particularidades: diversidad y unicidad, es decir, capacidad para generar infinitas posibilidades y capacidad para de entre todas ellas ser seleccionada solamente una, y todo ello en un entorno espacio-temporal muy acotado. Se trata de redes neuronales con capacidad de manejar mucha información variada y con capacidad de integración de la misma. En lo que queda de entrada nos será útil mantener el paralelismo entre la palabra “consciencia” y el binomio “información-integrada“.

Imagen en la que la información aumenta de izquierda a derecha (de blanco y negro a color) y la integración de abajo hacia arriba (píxeles más o menos ordenados). La imagen de Marte cobra mayor sentido cuando se maximizan ambas dimensiones. (Imagen (de A. Ibáñez) y texto tomados de “Cerebro y consciencia 1: PHI o la Teoría de la Información Integrada”, Ignacio Morgado Bernal, Scilogs, 2016, fair use)

Los estudios acerca de la dinámica cerebral durante la consciencia afirman que no todo el cerebro participa en esta emergencia, aunque sí es precisa la concurrencia de buena parte del sistema tálamo-cortical. A la vista de ello, las preguntas que se hace la TII son las siguientes: ¿por qué unas partes del cerebro producen consciencia mientras que otras no?; ¿cómo y por qué determinadas zonas discriminan cualidades de consciencia distintas, vista, oído, temperatura…? Y eso es lo que precisamente intenta discernir de forma sistemática y científica la teoría de Tononi.

Esta teoría parte de la idea de que en la base de la consciencia se encuentra una realidad: el que hay mucha información integrada. A partir de ahí va a estudiar de forma teórica qué tipo de redes generan e integran más información, y cuales permiten discriminar más fuertemente un resultado concreto. No voy a entrar en detalles técnicos de la metodología, pues no soy experto en ella, aunque sí recomiendo que acudáis al artículo de Giulio Tononi que inspira esta entrada, “An information integration theory of consciousness” (2004), en donde se desarrolla su técnica. Básicamente se centra en la definición y cálculo de dos parámetros: La Ф de un complejo y la matriz de información efectiva. Habrá que aclarar un poco más.

Para medir la integración de la información es esencial saber si un conjunto de elementos constituye un sistema integrado causal (sus elementos internos se autoinforman), o bien se pueden dividir en una serie de subconjuntos independientes o casi independientes entre los cuales no se puede integrar información. Estos conjuntos “cuasi aislados” son los que Tononi llama complejos. La información dentro de esos conjuntos será distinta según sea la intercomunicación entre sus partes, la información mutua, lo que va a dibujar la matriz de información efectiva entre los elementos del complejo. El modelo define un parámetro asociado a la información efectiva dentro de un conjunto, que además se puede calcular y que se le denomina como Ф: Una I de “información” sobre la que se superpone un círculo, o, indicador de su “integración”.^[3]  Lo que nos lleva a una mejor definición de un complejo: un complejo es un subconjunto de elementos con Ф>0 y sin un subconjunto interno de Ф superior.

Ahora estamos en condiciones de enunciar lo que es la base de la TII: la teoría afirma que la consciencia corresponde a la capacidad de integrar información. Esta capacidad, correspondiente a la cantidad de consciencia, está dada por el valor de Φ de un complejo. Un complejo puede ser parte de un complejo mayor, de mayor Φ, así hasta encontrar el complejo que dé un máximo, que constituye el complejo principal. A mayor Φ, mayor capacidad de consciencia. La teoría también predice que los requisitos de tiempo para la generación de experiencia consciente en el cerebro surgen directamente de los requisitos de tiempo para la acumulación de interacciones efectivas entre los elementos del complejo principal.

(a) Una escala de complejos dentro de un sistema, desde los más elementales 1/2 y 3/4, dentro del S, dentro del X. En la metodología de la teoría, para este ejemplo, se inyecta información sobre los elementos 1 y 2 y se calcula cual es la información que traspasa cualquier bipartición del complejo S. (b) En la bipartición vertical lógicamente la información efectiva es cero mientras que en la horizontal (o las cruzadas) la información efectiva es mayor que cero. (d) Posteriormente, a partir de los resultados anteriores, se calcula el Ф de cada complejo. En la imagen se determina que el sistema 1/2 genera menos consciencia que el 3/4. (Imagen de “An information integration theory of consciousness”, figura 1, Giulio Tononi, BMC Neuroscience, 2004, fair use)

Con todo lo anterior tendríamos planteada una vía de estudio de la primera pregunta: ¿por qué unas partes del cerebro producen consciencia mientras que otras no? Pero, incluso si estuviéramos razonablemente seguros de que un sistema es consciente, no es inmediatamente obvio qué tipo de consciencia tendría, que tipo de quale generaría.^[4] En ese caso la teoría afirma que la calidad de la consciencia asociada con un complejo está determinada por su matriz de información efectiva que especifica todas las relaciones informativas entre los elementos de un complejo. Los valores de las variables que median las interacciones informativas entre los elementos de un complejo especificarían la experiencia consciente particular en un momento dado. Traspasando el concepto al cerebro, obtendríamos dónde hallar la respuesta a la segunda pregunta que nos planteábamos: ¿cómo y por qué determinadas zonas discriminan cualidades de consciencia distintas?

Con esas ideas se ha construido un modelo que puede ser manejado y de donde se consiguen conclusiones: El modelo determina que en complejos con una red que maneja mucha información efectiva se genera un alto Φ, es decir, un significativo grado de consciencia. Con el modelo se puede simular la variable topología de determinadas redes cerebrales (con restricciones, claro está), como aquellas que sabemos intervienen en la generación de consciencia; o como las que no la generan; o bien las redes que generan una particular cualidad de consciencia -visión, audición, dolor…-, pudiendo observar en el resultado de las simulaciones un paralelismo entre “estructura neuronal/función real” y las “predicciones de la teoría”.

Esas ideas se refuerzan, e incluso parecen corroborarse, al observar las fenomenologías del funcionamiento cerebral, su correlación con la topología de las estructuras que las generan y cómo lo que se observa puede ser explicado mediante las ideas de base de la TII. A continuación se relacionan algunas de esas topologías, y sus dinámicas, que correlacionan muy bien con la teoría:^[5]

1. Sabemos que la consciencia se genera en la red tálamo-cortical distribuida por el encéfalo, red que anatómicamente y funcionalmente se muestra a la vez especializada e integrada (ver figura siguiente).

Redes con configuración del tipo sistema tálamo-cortical, estudiadas por la TII, en las que se analiza el valor de la información integrada, Φ. (a) Se parte de una disposición heterogénea de las conexiones entrantes y salientes, de forma que su Φ sea alto, igual a 74 bits, valor que nos maximiza conjuntamente la especialización funcional y la integración funcional entre sus 8 elementos. (b) Con la misma cantidad de conectividad, distribuida ahora homogéneamente para eliminar la especialización funcional, produce un complejo con valores mucho más bajos de Φ (Φ = 20 bits). (c) La misma cantidad de conectividad, ahora distribuida de tal manera que forma cuatro módulos independientes para eliminar la integración funcional, produce cuatro complejos separados con valores mucho más bajos de Φ (Φ = 20 bits) (Imagen de “An information integration theory of consciousness”, figura 3, Giulio Tononi, BMC Neuroscience, 2004, fair use)

2. Otras regiones del cerebro con un número comparable de neuronas, como el cerebelo, no contribuyen a la experiencia consciente. Según la teoría, la razón radica en la organización de las conexiones cerebelosas, que es radicalmente diferente de la del sistema tálamo-cortical y no es adecuada para la integración de la información (ver figura (a) siguiente).

3. Los centros subcorticales, como los ganglios del sistema reticular ascendente^[6] generadores de neuromoduladores (lo que llamamos red difusa en la entrada 06), sin contribuir directamente a la consciencia, pueden controlarla modulando la preparación del sistema tálamo-cortical. Este papel puede explicarse fácilmente en términos de integración de información, ya que la teoría dice que los elementos neuronales que tienen conexiones generalizadas con un complejo principal de alta Φ pueden, sin embargo, permanecer informativamente excluidos de él (ver figura (b) siguiente).

4. La actividad neuronal en las fibras aferentes sensoriales^[7] al sistema tálamo-cortical, como por ejemplo las que vienen de la retina, puede determinar lo que experimentamos sin contribuir directamente a ello. Los resultados computacionales demuestran que agregar o eliminar múltiples rutas entrantes segregadas no cambia la composición del complejo principal y causa un pequeño cambio en su Φ (ver figura (c) siguiente).

5. La actividad neuronal en las rutas motoras del sistema tálamo-cortical, aunque produce diversos resultados de comportamiento, no contribuye directamente a la experiencia consciente. La explicación dada por el modelo es semejante a la del apartado anterior (ver figura (d) siguiente).

6. Los procesos neuronales en los bucles córtico-subcórtico-corticales, como los de los ganglios basales, si bien son importantes en la producción y secuenciación de la acción, el pensamiento y el lenguaje, no contribuyen directamente a la experiencia consciente. La teoría demuestra que la adición de muchos ciclos paralelos generalmente tampoco cambia la composición del complejo principal, aunque los valores de Φ pueden alterarse (ver figura (e) siguiente).

7. Los procesos neuronales subconscientes dentro del sistema tálamo-cortical, como podría ser el proceso de reconocimiento de una cara, que también influyen en la experiencia consciente aunque sin contribuir directamente a ella. En ese caso la teoría predice que la actividad dentro de ciertos circuitos corticales no contribuye a la consciencia porque tales circuitos implementan bucles informativamente aislados que permanecen fuera del complejo tálamo-cortical principal.

Diversas configuraciones de redes estudiadas por la TII en las que se analiza el valor de la información integrada, Φ. (a) Módulos paralelos, semejantes a los del cerebelo, de alto Φ=20, y que como conjunto lo tienen muy bajo, Φ=5. (b) Caso semejante al sistema reticular difuso y su influjo en el tálamo-cortical. (c) Lo mismo en el caso de las aferentes sensoriales. (d) Lo mismo para las rutas motoras del sistema tálamo-cortical. (e) Caso del conjunto ganglios basales/sistema tálamo-cortical (un mayor desarrollo en el texto) (Imagen de “An information integration theory of consciousness”, figura 4, Giulio Tononi, BMC Neuroscience, 2004, fair use)

8. La consciencia se puede dividir si el sistema tálamo-cortical se divide en sus dos hemisferios. Lo que parece lógico, ya que cada uno de ellos pasa a constituirse como un complejo principal distinto, manteniendo un alto Φ. Aunque la teoría dice que también, en este caso de bipartición, debe mantenerse un complejo de mucho menor Φ, que incluye a ambos hemisferios y a un elemento “subcortical” que les proporciona una entrada común.

9. En la operativa del cerebro se observan como a veces se producen desconexiones en las estructuras neuronales, ya sean fisiológicas como patológicas o anatómicas. Nos parece lógico que puedan afectar a la intensidad de la consciencia. Algunas ocurridas en partes del sistema tálamo-cortical pueden contribuir a la experiencia consciente en un momento dado pero no hacerlo en otro (como por ejemplo en las diversas fases del sueño, o en las alternancias de ensimismamiento/atención). La teoría demuestra, es verdad que en un modelo muy simple, que si en un complejo principal formado por tres subconjuntos interconectados, y de relativamente alto Φ, se desconecta uno de ellos, el resultado es que el complejo principal se contrae y el subconjunto desconectado termina fuera de ése. Aunque el valor de Φ varía muy poco, lo que indicaría que podría ser posible que los límites del complejo principal cambien dinámicamente, mientras que la cantidad de consciencia no se altera sustancialmente.^[8]

10. No sólo las desconexiones funcionales o anatómicas en el cerebro afectan al estado consciente, ya que también, dependiendo de ciertos parámetros neurofisiológicos, la misma red tálamo-cortical puede generar mucha o poca experiencia consciente. La experiencia cotidiana nos dice claramente que la consciencia puede ir y venir, crecer o achicarse. También esta realidad de la progresividad de la consciencia está soportada en la teoría, ya que en su base está el principio de que, dependiendo de las diferentes configuraciones de integración de información, el valor de Φ puede variar para un mismo complejo principal.

EN RESUMEN. La Neurología sabe detectar cuáles pueden ser los diversos módulos cerebrales que participan en la experiencia consciente y además conoce su tipo de arquitectura neuronal. Se han modelizado estas estructuras, lógicamente de forma muy simple, y se las ha sometido, en el modelo, a información externa. El resultado del modelo es que arquitecturas teóricas similares a la de los módulos neuronales que SÍ gestionan la consciencia son las que manejan una mayor información, y además de la forma más integrada. Análogamente, el modelo demuestra que arquitecturas teóricas similares a la de los módulos neuronales que NO participan en el estado de consciencia, o lo hacen de forma colateral, tienen una pequeña capacidad de integración de información.

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Llegados aquí nos toca pasar a la conjetura. Insisto, como lo hice al principio de la entrada, que la Teoría de la Información Integrada es eso, una teoría para explicar la consciencia. Pero una teoría que se ajusta endiabladamente a lo que observamos en nuestras experimentaciones dentro del campo neurológico, ya sea en los estudios de patologías como durante los diversos estados vivenciales o en el caso de haberse producido alteraciones por drogas o fármacos. La extraña idea que subyace a la TII nos dice: una red con alta capacidad de integración de información puede generar algo que llamamos en los humanos consciencia. No es un proceso, es algo consustancial con los parámetros de la red. Algo así como la masa que se manifiesta como el peso o la inercia de un cuerpo, o la carga eléctrica sobre la que actúa la fuerza electromagnética. No estaríamos hablando sólo del cerebro, sino de cualquier sistema capaz de integrar mucha información y capaz de configurar su arquitectura en un gran número de estados mediante interacciones causales dentro de él. Añadido quedaría el que ya que la calidad de la conciencia, el quale emergente, está determinada por las relaciones informativas dentro del complejo principal de la red, cualquier tipo de sistema como el que comentamos debería ser capaz de experimentar quale, como la “rojez”. Como dice Tononi: “La teoría predice que la consciencia depende exclusivamente de la capacidad de un sistema para integrar información, tenga o no un fuerte sentido de sí mismo, lenguaje, emoción, un cuerpo, o esté inmerso en un entorno, en contra de algunas intuiciones comunes”.

La teoría implica que la consciencia no es una propiedad de todo o nada, ya que depende del valor de Φ, valor que puede ser distinto para cada red. Lo que nos lleva a conjeturar que no sólo el cerebro es consciente (aunque él lo es en grado sumo según nuestros conocimientos) sino que en diversos grados la consciencia debería existir en la mayoría de los sistemas naturales o artificiales. No es un proceso, es una configuración. Nuestro cerebro evolutivamente puede exhibir como una bandera una Φ elevada, lo que es idéntico a generar consciencia. Lo sabemos porque lo experimentamos^[9]. Aunque quizás sea algo que no se pueda evitar. No me queda más que decir que… ¡inquietante¡ Aunque para que nos relajemos ahí dejo una opinión de mi admirado neurólogo Joseph LeDoux hablando acerca de si las máquinas, gracias a la Inteligencia Artificial, algún día tendrían consciencia: “In other words, the flow of electrons in electronic devices can shed light on cognition but is not sufficient to create it“, “En otras palabras, el flujo de electrones en los aparatos electrónicos pueden iluminarnos acerca de [lo que es] la cognición pero no es suficiente para crearla.” (“The deep history of ourselfs“, Viking, 2019).

[En la próxima entrada el pdf... y algo más]

1. La base de la exposición de esta entrada la podéis encontrar en el siguiente artículo de Tononi, “An information integration theory of consciousness”, BMC Neuroscience, 10 de agosto de 2004.
2. Entradas 03 y 04.
3. De manera más técnica, Φ es la cantidad de información efectiva que se puede intercambiar a través de una teórica bipartición de mínima información de un complejo.
4. El quale (plural: qualia) es la cualidad subjetiva de la experiencia individual. Por ejemplo, la rojez de lo rojo, o lo doloroso del dolor.
5. Una mayor explicación la vamos a encontrar en el ya mencionado artículo de Giulio Tononi, “An information integration theory of consciousness” (2004).
6. La formación reticular es una estructura neurológica del tronco encefálico, que se encarga de los ciclos circadianos de sueño/vigilia. Filogenéticamente es una de las partes más antiguas del encéfalo. Está formada por neuronas de diferentes tamaños y formas esparcidas en la sustancia blanca.
7. Las que transportan impulsos nerviosos desde los receptores u órganos sensoriales hacia el sistema nervioso central.
8. Lo que parece sugerir que la idea del “núcleo dinámico” propuesta por Gerald M. Edelman, y que explicamos en la entrada 04 de esta serie, no debe ser tan descabellada.
9. Recuerdo: estamos hablando tan solo de consciencia primaria

Hans von Foerster (1911-2002), filósofo y uno de los padres de la cibernética junto con John von Neumann entre otros.

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Acabamos la entrada anterior de esta serie sobre el conectoma cerebral con la siguiente afirmación: El análisis del estado en “modo por defecto” de nuestro cerebro nos ha permitido encontrar que tal suigéneris modo operativo se extiende sobre varias regiones. Ya comentamos que en este modo de funcionamiento determinadas zonas cerebrales modulan sus actividades según un patrón de ondas de periodo en el entorno de las pocas decenas de segundo. Dijimos también que estas ondas de actividad pueden ser detectadas mediante técnicas de resonancia magnética siguiendo los patrones de variación del oxígeno sanguíneo (IRMf-BOLD) (ver siguiente figura).

Correlación de las señales ondulantes en estado de reposo de varias zonas cerebrales. Se observa una clara correlación entre las regiones amarilla y naranja y una perfecta anti-correlación de las mismas con la azul (Imagen a partir de “The human brain is intrinsically organized into dinamic, anticorrelated functional networks”, figura 1, Michael D. Fox et al., PNAS julio 2005, fair use)

Habíamos también avisado en la entrada anterior de que los modelos de redes nos sugieren que todas las conexiones funcionales reflejan una combinación de numerosas influencias dinámicas, que se mueven a través de la red a lo largo de muchas rutas estructurales, la mayoría de ellas rutas indirectas con múltiples pasos intermedios. Lo que implica que en el análisis del desglose de la red por defecto los neurólogos se encuentran con dificultades que les obligan a ser cautos. No obstante este hándicap, o quizás espoleado por ello, se ha intentado analizar si las fluctuaciones propias del “modo por defecto” son exclusivas de la red de base que parece dirigir la actividad cerebral durante el reposo o más bien estuviera descompuesta en componentes que nos llevarían a la existencia de subredes independientes.

En esta figura se muestra un ejemplo de cómo se pueden extraer los patrones de coherencia espacial dentro de los sistemas cerebrales conocidos, en particular para el sistema sensoriomotor (C). Ya se explicó en esta entrada cómo se obtienen los datos mediante técnicas IRMf-BOLD (A). Para cada vóxel observado se obtiene la serie particular de fluctuaciones de actividad (B). A partir de las series de varios vóxeles se obtienen patrones espaciales coherentes que indican una correlación de la actividad en diversas regiones del cerebro (C) (Imagen a partir de ”The Restless Brain”, figura 1, Marcus E. Raichle, Brain Conectivity 2011, fair use)

El análisis del comportamiento ondulatorio de la actividad en reposo se acometió de forma matemática, descomponiendo las series de datos obtenidas en pruebas IRMf sobre sujetos que estaban en estado de reposo cerebral completo. Gracias a estos trabajos se ha descubierto que, en realidad, sí existe un conjunto relativamente importante de subredes que manifiestan actividad en estado de reposo,^[1] presentando patrones semejantes al de las ondas de baja frecuencia -en el entorno de 0,1 Hz-, que ya dijimos en la entrada anterior que eran las propias de la red general que funciona en el modo por defecto. No existe acuerdo en cuanto al número de este tipo de redes, ya que en algunas publicaciones se han comentado hasta unas 42, e incluso en otras se proponen muchos más. Sin embargo, y dado que desde el principio de la entrada anterior el profesor Olaf Sporns nos está llevando de la mano en este tema, confiaremos en su opinión: la dinámica del cerebro en reposo se puede dividir en un conjunto relativamente pequeño de “redes en estado de reposo”. Quizás las más consistentes de estas sub-redes son las que paso a mencionar a continuación y cuyo alcance queda reflejado en la figura que sigue (doy una mayor descripción en las notas adjuntas).

Como es lógico imaginar, algunos de esos circuitos -los somatosensorial, motor, visual, auditivo…- se hallan inmersos principalmente en regiones que pueden considerarse sensoriales o motoras, en función de la especificidad de sus respuestas cuando el individuo del ensayo se le somete a un estímulo.^[2] Por el contrario, en otras regiones cerebrales se produce una amplia gama de respuestas a estímulos y tareas multi-modales más complejos, revelando otro tipo de redes. En ese caso nos encontramos con la propia red neuronal por defecto;^[3] la red de atención dorsal/ventral;^[4] la red fronto-parietal;^[5] la red de prominencia (salience)^[6] o la red de control ejecutivo.^[7]

Principales sistemas neuronales que presentan actividad correlacionada con el “modo por defecto” (Imagen a partir de ”The restless brain:how intrinsic activity organizes brain function”, figura 1b, Marcus E. Raichle, Philosophical transactions B, mayo 2015, fair use)

Los patrones de conectividad funcional expresados en todos esos sistemas representan el resultado de la historia de su actividad y de la experiencia individual, resumen de la coordinación entre neuronas que en algún momento pasado se activaron a la par mientras se realizaba una tarea, lo que fue produciendo, por plasticidad, un fortalecimiento/debilitamiento de las conexiones por donde se intercambiaba la información entre las regiones afectadas. Podemos decir, por tanto, que el conectoma funcional es en su base la recapitulación y concreción física de una historia de experiencia individual. Como ya hemos dicho repetidas veces, los patrones de actividad durante la realización de una tarea están fuertemente relacionados con la conectividad funcional observada en reposo más que con las habilidades neuronales, lo que da apoyo a la idea de que el cerebro en reposo se encuentra realizando o ensayando patrones de coactivación, AQUELLOS QUE EN OTROS MOMENTOS REALIZÓ como respuesta a los diferentes estímulos que le llegaban, un catálogo continuamente a la espera, de donde se selecciona en cada situación de presente la propuesta conductual. Esta rompedora idea de que el “estado de reposo” es menos un estado y más un patrón espacio-temporal dinámico se investigó por primera vez mediante el uso de modelos computacionales de la actividad cerebral en reposo, dando como resultado la idea de que existe un “repertorio funcional” de estados de red que se revisan y ensayan continuamente en el curso de la natural actividad neuronal endógena.^[8]

En palabras del conocido neurólogo norteamericano Marcus E. Raichle: “… la combinación de un enfoque de abajo-arriba [desde la neurona individual hasta llegar al cerebro global] y de arriba-abajo para la actividad intrínseca [la endógena de base y no motivada por acciones externas] revela temas comunes a nivel celular y a nivel de cerebro completo. A un nivel muy local, al menos en el de las cortezas sensoriales, la actividad intrínseca se organiza alrededor de mapas corticales que representan condiciones sensoriales anticipadas. A nivel cerebral completo, en ausencia de cualquier actividad manifiesta, la actividad intrínseca se organiza de acuerdo a sistemas bien conocidos, que participan en toda la gama de comportamientos que podamos observar. Esta organización está claramente jerarquizada, desde el nivel local hasta el nivel de los sistemas, y es consistente con la hipótesis de que el cerebro mantiene un estado de “preparación en anticipación” de las demandas que se le presentan mientras está despierto”.^[9]

La existencia de una “preparación en anticipación” nos lleva a imaginar al cerebro tal como comentamos en otro apartado de esta serie,^[10] cuando hablábamos de la unicidad y variabilidad de los estados de consciencia, como una “biblioteca” de estados de tipo temporal “presente” pasados,^[11] que continuamente están activos y disponibles en las estructuras neuronales, dibujando un módulo dinámico de donde surge la propuesta motora o cognoscitiva que se ajusta mejor a las señales externas e internas del organismo. Y aún más: estos últimos párrafos nos han transportado a los primeros de esta serie, cuando argumentábamos que la estructura y la actividad, la materia y la función, eran el mismo personaje indisoluble organizado dentro de una caja ósea singular preparada por la evolución.

Con eso damos por acabado la exposición relacionada con el conectoma funcional, resultado de la cambiante arquitectura del conectoma estructural, ambos a su vez modulados por la genética, el medio ambiente y, por tanto, resultado de la evolución. Con toda seguridad las múltiples iniciativas científicas que hoy están vivas y que pretenden profundizar en el tema nos van a llevar en un futuro no solamente a un mejor conocimiento de nuestro cerebro, sino también al desarrollo de novedosas herramientas de análisis con las que se podrán plantear multitud de hipótesis funcionales, hipótesis que luego seguramente podrán ser confirmadas por los estudios experimentales y clínicos. Sin lugar a dudas las consecuencias van a ser asombrosas y decisivas para acometer terapias que combatan enfermedades cerebrales, hasta hoy consideradas psiquiátricas, tales como la esquizofrenia, el déficit de atención o el autismo. Un mundo apasionante que espero haya motivado a vuestros centros neuronales de la atención y la emoción, bajo el aderezo del sistema difuso neuromodulador dopaminérgico.

Aunque aún nos queda algo que comentar. Lo veremos en la siguiente entrada.

1. En su mayoría estas redes no tienen exclusivamente funcionalidad durante el modo-reposo. Son redes digamos que “normales”, principalmente corticales con sus conexiones subcorticales que, ante un estímulo externo o interno que demanda su atención, se activan y desarrollan su función específica partiendo desde la que tenían en su estado en reposo. El descubrimiento de las subredes en reposo nos ha facilitado el profundizar y delimitar alguna de las redes cerebrales a gran escala.
2. Ya se habló con extensión de esas redes en la serie de El Cedazo que llamamos “Los sistemas receptores”.
3. Este circuito se ha relacionado con la propia monitorización de estados internos y de la memoria autobiográfica. Las regiones que conforman esta red son la corteza frontal ventromedial y dorsomedial, cíngulado anterior, cíngulado posterior, precúneo, corteza parietal lateral e hipocampo.
4. La atención visual es controlada por dos sistemas neurales: [1] un sistema centrado en la corteza frontal y parietal dorsal posterior, implicado en la selección cognitiva de la información sensorial y de las respuestas a esa información, y [2] otro sistema ampliamente lateralizado hacia el hemisferio derecho y centrado en la corteza frontal y tempo-parietal ventral, que se encarga de la detección de eventos sensoriales relevantes para el comportamiento, particularmente cuando éstos son llamativos. Ninguna de las dos redes controla los procesos de atención de forma aislada, de forma que la interacción flexible entre ambos sistemas permite el control dinámico de la atención.
5. Este circuito fronto-parietal, que une los lóbulos frontal y parietal, y que normalmente se ve asociado a tareas, está fuertemente relacionado con la red de modo predeterminado, pero de forma inversa: cuando la señal BOLD se incrementa en un circuito, disminuye en el otro. Asume diversas funciones, desde la planificación y la ejecución de movimientos hasta la rotación mental (la habilidad de rotar las representaciones mentales de los objetos bidimensionales y tridimensionales), desde la atención espacial a la memoria de trabajo. Está principalmente conformada por regiones cerebrales dorsales encargadas del procesamiento de la atención (giro intraparietal, campo de visión frontal) junto con regiones ventrales y dorsales, ínsula y corteza motora suplementaria, cuya actividad se observa comúnmente durante la demanda de tareas cognitivas.
6. La red de prominencia es una red cerebral a gran escala que se emplea al decidir si una cosa es más importante que otra. Participa en la detección y filtrado de estímulos importantes, así como en el reclutamiento de redes funcionales relevantes. Se compone principalmente de la ínsula anterior y dorsal y de la corteza cingulada anterior.
7. Las funciones ejecutivas incluyen procesos cognitivos básicos tales como el control de la atención, la inhibición cognitiva, el control inhibitorio, la memoria de trabajo y la flexibilidad cognitiva. Históricamente se ha considerado que las funciones ejecutivas están reguladas por las regiones prefrontales de los lóbulos frontales, el córtex prefrontal dorsolateral, la corteza cingulada anterior y el córtex orbitofrontal, aunque no son las únicas estructuras involucradas. El concepto de función ejecutiva debe ser lo suficientemente amplio como para incluir estructuras anatómicas que representen una variada y difusa parte del sistema nervioso central.
8. Para más información podéis acudir al siguiente artículo de 2012 “Ongoing Cortical Activity at Rest: Criticality, Multistability, and Ghost Attractors” de Gustavo Deco y Viktor K. Jirsa, en cuyas conclusiones se dice: “Especulamos, por lo tanto, que las conexiones neuroanatómicas desarrollaron un tipo de arquitectura sin escala para poder almacenar una gran cantidad de funciones cerebrales diferentes y de acceso flexible. Las numerosas funciones cerebrales se evidencian indirectamente en condiciones de estado de reposo por la generación de una gran diversidad de redes…“
9. “The restless brain: how intrinsic activity organizes brain function”, Marcus E. Raichle, Philosophical Transactions of the Royal Society B, apartado 3 (c), 2015
10. En las entradas 03 y 04 de esta serie.
11. En el sentido de que cada momento del pasado tuvo su realidad en su particular momento presente. A esto le llamo estados “presente” pasados, a esa serie de fotogramas vividos ya en el pasado.

Un marco conceptual que considera a la “dinámica de la comunicación” como el vínculo necesario entre los dominios de la conectividad estructural y de la funcional. (Imagen de“Communication dynamics in complex brain networks”, figura 1, Andrea Avena-Koenigsberger, Bratislav Misic y Olaf Sporns, Reviews Neuroscience, diciembre 2017, fair use)

En esta entrada intentaremos hacer un bosquejo acerca de lo que podemos saber del conectoma funcional del cerebro. Si ya es difícil estudiar y llegar a conclusiones acerca del conectoma estructural, qué vamos a decir del funcional. Tenemos claro que la función emerge de la actividad de la red, la cual depende a su vez de su propia topología y no de las habilidades de las neuronas. La dinámica cerebral emerge del sustrato proporcionado por los patrones anatómicos de su conexionado físico, del que sabemos que no es una estructura inamovible, sino que está sometido a modificaciones temporales y locales. Esta circunstancia es la que hace posible que de un número más o menos fijo de nodos y enlaces se pueda generar un rico abanico de complicadas redes, lo que diseña un amplio catálogo de estados dinámicos y, por ende, de sus reflejos en el comportamiento. A partir del estudio del conexionado físico y su dinámica podremos deducir teóricamente complejas distribuciones probabilísticas -que codifican y representan mapas cerebrales de las características del mundo interno y externo del organismo (lo que constituye la base del procesado de la información en el cerebro)-^[1] para después correlacionarlas con las propuestas de comportamiento observadas. Estas correlaciones nos dirán cuáles son las regiones cerebrales que ante un input externo se activan al unísono con mayor probabilidad (no es que me dé una certeza absoluta de que estén conectadas, aunque puedo imaginar que con gran probabilidad sí lo estarán), lo cual constituye la base del conectoma funcional. Eso no quiere decir exactamente que en su actividad haya una correlación de causa-efecto entre ellas, en donde la activación de una región directamente causa un cambio de actividad, expresiva o inhibitoria, en otra región. Lo que constituye una diferente historia… la de otro tipo de conectoma, el efectivo.

El conectoma funcional se define por tanto no como una serie de “cableados” y fascículos de los que sabemos pueblan la materia blanca del cerebro o interconectan las regiones de la corteza, sino más bien como aquel “algo” que hace que diferentes regiones cerebrales separadas desarrollen una actividad neuronal temporalmente dependiente, estén o no unidas por haces de axones. La información sobre los patrones de co-activación entre las unidades neuronales distribuidas por el cerebro, que nos van a definir al conectoma funcional, se mide haciendo uso de diversas técnicas.^[2] En el fondo, la cuestión es poder obtener información temporal de la actividad de diversas zonas del cerebro, tanto cuando al sujeto experimental se le somete a una acción como en reposo. Con esos datos se puede ver si la correlación temporal entre zonas es fuerte o débil, o incluso si se anti-correlacionan.

No es tarea sencilla, ya que el conocimiento de las relaciones de causalidad es muy difuso y necesariamente basado en tendencias estadísticas de lo que se observa. Por ello, la interpretación de la topología del conectoma funcional se debe hacer con sumo cuidado ya que, aunque haya ciertos elementos comunes en sus arquitecturas, cuando analicemos las redes estructurales y las funcionales no hay que perder de vista que ambas cosas no son lo mismo. Para el análisis de los datos obtenidos se hace muy útil el utilizar técnicas de teoría de redes, que ya explicamos a vuelapluma lo que son y cómo se usan en una entrada anterior.

En entradas más anteriores de esta serie nos habíamos apoyado en los patrones generales de funcionamiento relacionados con el estado de consciencia, con el objetivo de que nos aproximaran a la existencia de las redes neurales. Ahora intentaremos entender cómo se vinculan las redes estructurales con las dinámicas cerebrales, y de ahí pasar al conectoma funcional, apoyándonos en un particular estado cerebral conocido como su “modo por defecto” o “modo predeterminado”.

La red cerebral de “modo por defecto”. Se resaltan aquellas zonas que se activan mucho más cuando estamos en situación ausente, como la clásica de “estar en las nubes”, que cuando estamos realizando una actividad, por poco intensa que ésta sea (Imagen a partir de ”The brain’s default network: Origins and implications for the study of psychosis”, figura 1, Randy L. Buckner, Dialogues in Clinical Neuroscience, septiembre 2013, fair use)

El cerebro nunca está callado, sino que siempre está involucrado en una actividad neuronal aparentemente espontánea y endógena. Lejos de pensar en el cerebro como un órgano exclusivamente reflexivo cuyas respuestas motoras, perceptivas, emocionales o de pensamiento están impulsadas principalmente por las demandas momentáneas del entorno, hoy en día sabemos de la existencia de una actividad cerebral espontánea e intrínseca, anatómicamente estructurada y fisiológicamente significativa, actividad que realmente es el rasgo dominante de su actividad funcional. Se ha comprobado que la mayor parte de la actividad global del cerebro se despliega en circuitos que no tienen relación alguna con acontecimientos externos.^[3]

Esa circunstancia se ve claramente manifiesta, entre otras cosas, por el hecho de que el consumo energético intrínseco del cerebro suponga entre el 60 y el 80 por ciento de toda la energía que utiliza, que recordemos puede ser la barbaridad de hasta el 20% de la energía total que requiere el cuerpo.^[4] Por contra, el inicio y desarrollo de una tarea concreta, que quedaría añadida a ese estado basal subyacente, implica tan solo un aumento del consumo energético de menos del 5 por ciento. Incluso ciertas regiones del cerebro, como una parte de las cortezas parietal y prefrontal mediales,^[5] experimentan una disminución de su nivel de actividad en cuanto se sale del estado basal de reposo, cosa que sucede cuando otras áreas inician y mantienen la ejecución de una tarea determinada. Sin embargo, cuando se vuelve al reposo se constata un aumento de la actividad entre el cingulado/precúneo posterior (en la anterior imagen: IPL y PCC) y la corteza prefrontal medial (idem: dMPFC y vMPFC), siendo perfectamente coherentes los patrones de conectividad funcional entre estas zonas. A ambas regiones se las considera como los centros principales del sistema que gestiona la función cerebral de “modo por defecto”.

Cuando se ha intentado llegar a más detalle de esta actividad de fondo se ha observado por diversos métodos que está generada por grupos de neuronas cuya actividad se ve modulada siguiendo un patrón ondulante con ciclos más o menos de 10 segundos -0,1 hercios-, unos patrones de actividad que aparecen incluso bajo los efectos de la anestesia general o durante el sueño ligero. Estas ondas de frecuencia moderada son condicionantes del resto de actividad del cerebro, ya que, cuando se inician, rápidamente se sincronizan con oscilaciones de frecuencias superiores, de hasta 100 hercios, que surgen en otras áreas funcionales del cerebro. Se interpreta que con ello están coordinando el acceso de esos otros sistemas a la información que maneja el cerebro, asegurando así el que las funciones cerebrales se realicen de forma armonizada y en el momento adecuado sin interferir unas con las otras. Es curioso cómo cuando el cerebro debe enfocar la atención sobre algo, hacerlo consciente, estas señales de frecuencia 10 segundos desaparecen, reanudándose cuando se amortigua la necesidad de centrar la atención, lo que se interpreta como un continuo balanceo de recursos entre las tareas planificadas y las tareas necesarias del momento.

Varios estudios han demostrado que estas fluctuaciones intrínsecas y espontáneas son importantes para conocer la conectividad funcional cerebral, lo que ha supuesto un poderosísimo motivo para emprender la realización de una serie de experimentaciones y posteriores análisis de los datos obtenidos.

Básicamente se utiliza la técnica de imagen por resonancia magnética funcional (IRMf) -con el sujeto experimental realizando una actividad- aprovechando el método conocido como BOLD,^[6] que es ni más ni menos el aprovechar el incremento de aportación de oxígeno, que viene de la mano del incremento de aportación sanguínea que lógicamente se da en las zonas activas del cerebro, a expensas de una disminución en las que permanecen en reposo. La hemoglobina con oxígeno y sin oxígeno presenta diferentes propiedades magnéticas, de aquí que mediante una resonancia magnética los neurólogos pueden generar imágenes en donde se diferencien las zonas activas de las inactivas.

Serie secuencial de imágenes IRMf BOLD de un mismo corte del cerebro. A partir de ellas se puede revelar los patrones de coherencia espacial en la actividad de diversas zonas del cerebro (ver texto) (Imagen a partir de “The restless brain: how intrinsic activity organizes brain function”, Marcus E. Raichle, Philosophical Transactions B, 2015, fair use )

Gracias a esas imágenes se pueden percibir pautas fluctuantes en la actividad intrínseca del cerebro. A partir de esas variaciones observadas se extraen unos perfiles dinámicos, espacialmente coherentes, dentro de los sistemas cerebrales conocidos. La figura anterior muestra un ejemplo concreto y corresponde a un test realizado sobre un individuo al que se le sometió a una actividad: muestra la imagen IRMf BOLD de un corte del encéfalo, siempre el mismo, pero en distintos momentos sucesivos (cada uno, cada 2,3 segundos). Ver los datos de esta manera ayuda a comprender la naturaleza de la actividad cerebral que se mueve lentamente y en constante cambio. En la serie, si uno se fija en un simple vóxel,^[7] el mismo en todas las imágenes, podemos conocer el patrón dinámico BOLD, a lo largo del tiempo, de ese punto particular en un determinado sistema del cerebro. Ya solo queda correlacionar las series temporales de un buen número de vóxeles, lo que va a hacer evidente la existencia de una similitud de comportamiento entre las señales de distintas áreas, que puede ser plasmado en diversos mapas físicos cerebrales específicos (ver figura siguiente), cada uno de los cuales identifica una red cerebral que manifiesta una coherencia espacial global cuando se activa.

En resumen: el estudio a través del contraste BOLD de la señal de baja frecuencia en la actividad cerebral en estado de reposo o “modo por defecto” ha revelado patrones de actividad local cortical sincronizados, lo que ha permitido describir una intrínseca arquitectura funcional del cerebro humano. Las fluctuaciones en reposo del cerebro en gran medida sugieren la existencia de patrones topográficos muy consistentes, ya que se repiten en cada experimentación sea cual sea la serie de sujetos individuales analizados, las sesiones diferentes de escaneo realizadas y sean cuales sean los laboratorios de imagen. La reproducibilidad de esos patrones de conexión invita claramente a pensar en la existencia de una base estructural real en donde, al menos en modo-reposo, se debe producir un solapamiento anatómico del conexionado físico estructural interzonal y el de los patrones de actividad espontánea neuronal que se desarrolla dentro de esas redes, lo que constituye la base de la conectividad funcional.

Instantáneas fijas de la corteza cerebral en dos momentos de actividad. Arriba a la derecha se remarcan dos zonas con una flecha naranja y una flecha amarilla. El análisis de las series IRMf BOLD de las dos zonas indican una sorprendente correlación entre la actividad de ambas, como queda reflejado en el diagrama inferior que recoge las fluctuaciones temporales BOLD en esas áreas. (Imagen a partir de “The restless brain: how intrinsic activity organizes brain function”, figura 2, Marcus E. Raichle, Philosophical Transactions B, 2015, fair use)

Ahora bien, los análisis de redes más detallados acerca de la conectividad estructural y funcional han revelado que, si bien la conectividad funcional reflejaba las redes estructurales físicas subyacentes, la relación entre las conexiones estructurales y funcionales no es trivial y directa, sino muy compleja. De hecho, los modelos de red sugieren fuertemente que todas las conexiones funcionales reflejan UNA COMBINACIÓN DE NUMEROSAS INFLUENCIAS DINÁMICAS que se mueven a través de la red a lo largo de muchas rutas estructurales, la mayoría de ellas rutas indirectas con múltiples pasos intermedios.

Llegado ese momento creo que es hora de hacer una pausa en el desarrollo del conectoma funcional para continuar en una siguiente entrada, en donde veremos con más detalle cómo se descompone ese cerebro en modo reposo en varias regiones. Para llegar a un inquietante final: el cerebro mantiene un estado de “preparación en anticipación” de las demandas que se le presentan mientras está despierto, ¡previsión completa ante lo que pueda llegar! Entonces ¿qué pintamos nosotros, pobres Homo‘s sapiens?

1. Ya hablamos de ello en este mismo blog de El Cedazo, cuando en la entrada  08 de la serie “Biografía de lo humano” nos atrevíamos a apuntar lo que bien pudo ser una historia para la conciencia reflexiva. Nada inventamos, ya que todo se aprendió del muy recomendable libro del neurólogo Antonio Damasio, “Sentir lo que sucede“.
2. Ya sean técnicas invasivas, como los electroencefalogramas intracraneales (EEGi), que registran la actividad eléctrica directamente de la corteza cerebral, o mediante técnicas no invasivas, como las imágenes por resonancia magnética funcional (IRMf), la magnetoencefalografía (MEG) y la electroencefalografía (EEG).
3. El cerebro, en su cárcel de hueso, realmente se esfuerza con lo poco que le llega de fuera.
4. De todas formas, hay que matizar que en estos ratios de energía, 60/80%, no se tienen en cuenta los consumos del resto de células cerebrales que no son neuronas o la energía necesaria para el normal reciclado fisiológico de las células cerebrales.
5. Regiones internas del cerebro que intervienen en el recuerdo de los acontecimientos personales, gestionan la referencia temporal y local del “propio yo” o la referencia del “otro”, y que participan también cuando nos imaginamos los pensamientos de los demás, así como en aspectos de nuestro estado emocional.
6. Del inglés BOLD-contrast imaging (por Blood-Oxygen-Level Dependent contrast imaging). En español “Imagen de contraste dependiente del nivel de oxígeno en la sangre“.
7. El vóxel (del inglés “volumetric pixel”) es la unidad cúbica que compone un objeto tridimensional. Constituye la unidad mínima procesable de una matriz tridimensional y es, por tanto, el equivalente del píxel en un objeto 2D.

En relación al estudio de las redes del cerebro los analistas se encuentran con un variado listado de problemas de base: uno de ellos es la variabilidad estructural de los patrones de conexión^[1]; otro, su constante remodelado gracias a su plasticidad; también la dificultad a la hora de valorar la fortaleza de las conexiones individuales; por no hablar de que no hay dos cerebros humanos iguales en los que encontramos variaciones a todas las escalas; o la propia naturaleza multi-escala de la arquitectura de la conectividad cerebral… y aunque se haya comprobado que desde un punto de vista de sistema ningún nivel de escala ocupa una posición privilegiada en la jerarquía de la actividad, y que todos los procesos a cualquier escala contribuyen en las propuestas funcionales generales que se observan en la cognición o el comportamiento, quizás esa falta de jerarquización, que dibuja un comportamiento superpuesto y mezclado de los módulos de la red, sea una complicación más en el estudio de la actividad.

Características básicas de una red. El grado del nodo (degree) es simplemente el número de aristas unidas a un nodo determinado. El coeficiente de agrupamiento (clustering) expresa la medida en que los vecinos topológicos de un nodo están conectados entre sí. La longitud del camino más corto corresponde a la distancia (topológica, no métrica) entre dos nodos. La red del ejemplo, a la derecha, puede descomponerse en dos módulos principales que están interconectados por un solo nodo central o hub (Imagen a partir de “The Non-Random Brain: Efficiency, Economy, and Complex Dynamics”, figura 2, Olaf Sporns, Frontiers in Computational Neuroscience, febrero 2018, fair use)

Prácticamente todos los estudios teóricos de redes sobre el cerebro humano han encontrado características conocidas como de “mundo pequeño”, del inglés “small world”, que es una propiedad que presentan algunas redes sociales. Eso sucede en aquellas redes en las que es posible encontrar, a pesar de tener un gran número de nodos, [i] un alto coeficiente de agrupamiento entre ellos (lo que se conoce como clustering, ver texto de la figura anterior), definido como la medida en la que los vecinos topológicos de un nodo (por ejemplo unas neuronas) están conectados entre sí; y [ii] la existencia de un camino de conexión de longitud corta entre dos cualesquiera de ellos, es decir, que el número de aristas (interconexiones: por ejemplo nervios, sinapsis… a recorrer para llegar del uno al otro sea mínimo.^[2] En otras palabras, en condiciones de clustering alto, si dos vértices o nodos no están conectados directamente entre sí, existe una gran probabilidad de que conecten mediante la intervención de otros nodos y, además, a través de un pequeño número de pasos. Visto desde un punto de vista más conceptual, estaríamos hablando de la existencia en este tipo de redes de características estructurales naturales que priman la especialización y la eficiencia: un dibujo topológico del tipo “mundo pequeño” es indicativo de un equilibrio entre, por un lado, la segregación anatómica y funcional, al presentar un alto grado de agrupación entre nodos -un fuerte clustering-, de donde emerge la riqueza en el número de patrones posibles, índice de eficiencia local; y la capacidad de integración global por el otro, que se manifiesta al observar la prevalencia de vías de comunicación cortas, índice de una eficiencia global. Usando palabras de Sean Carroll -mucho más didácticas que las mías-, conocido cosmólogo y divulgador norteamericano: “Esta clase de organización parece presentar el máximo de eficiencia para ciertas tareas, permitiendo que el procesamiento se haga localmente y los resultados se extiendan rápidamente a través del sistema”.^[3]

Trasladando la idea a las redes cerebrales, el teórico “mundo pequeño” se observa en la arquitectura de su conexionado, el cual esconde una abundancia de módulos neuronales densamente interconectados. Tales módulos son agrupaciones de elementos que forman sistemas funcionales conexionados y coherentes, en donde las proyecciones de entrada y salida son compartidas y tienen respuestas fisiológicas similares. Se ha comprobado también que, al igual que sucede en otros tipos de redes especializadas en el procesamiento de la información, la modularidad de las redes cerebrales se extiende a lo largo y ancho del ámbito de sus múltiples escalas, lo que da como resultado una jerarquía de “módulos dentro de módulos”. Esto no quiere decir que haya un “totum revolutum” en el cerebro, sino un concierto entre equivalentes organizado a diversas escalas, concierto de donde sale la funcionalidad cerebral. De nuevo Sean Carroll: “No se trata simplemente de un puñado de neuronas que se agrupan en una pelota, y con todas estas pelotas conectadas entre sí. Más bien, se trata de neuronas conectadas formando grupos, conectadas a su vez en grupos mayores, y estos a otros aún mayores, etcétera”.^[4]

Lo dicho en los anteriores párrafos llevan el aroma de lo que explicábamos en otra entrada anterior en la que comentamos las teorías del premio Nobel Gerald M. Edelman acerca del estado de consciencia, estado que emerge como una única propuesta a partir de una panoplia de infinitas posibilidades, producidas en un mundo de “agrupaciones funcionales”, comunicación entre neuronas con vías de “reentrada” y “complejidad neuronal”, de donde surge la infinita diversidad de propuestas funcionales del cerebro.

La topología de ese puzle parece estar condicionada por la integración espacial del cerebro (cómo están posicionadas e imbricadas físicamente las piezas dentro de la caja ósea), que impone, durante la construcción y mantenimiento de las redes, estrictas restricciones por cuestiones de coste energético, incluido el referente a la cantidad de materia prima del cableado o a la energía metabólica utilizada en los mecanismos de desarrollo. De hecho, los módulos de las redes cerebrales estructurales suelen ser espacialmente compactos con regiones miembros ubicadas en una proximidad física cercana y unidas por proyecciones relativamente cortas (de nuevo el “mundo pequeño”, ahora a escala macro). Parecería como si la tendencia de la red hacia una alta agrupación a través de conexiones cortas pudiera deberse a la conveniencia de dar una misma funcionalidad con una mayor economía (no nos debería sorprender en un órgano que ha sido “tallado” por la evolución). Sin embargo, se observa también algo que pudiera parecer contradictorio con esto último, aunque realmente enseguida se ve que no lo es: las proyecciones a larga distancia no solamente se han conservado evolutivamente, sino que se han ampliado en los casos en que su expansión promovía un mayor rendimiento de la red. Es decir, la conservación de los recursos -energía disponible más materiales- por sí sola no es suficiente para explicar todos los aspectos de la arquitectura de la red cerebral, lo que parece sugerir que los beneficios que puedan alcanzarse, por el mero hecho de ser conservadores en el costo de la red, están continuamente balanceándose en una “negociación” con las demandas de eficacia de la red: el cerebro está organizado en un punto de equilibrio desde donde poder generar un mayor valor por el menor coste. De nuevo la lógica evolutiva.

Módulos, “club de ricos” y núcleo (“core” de hub’s): (A) Una red esquemática compuesta por cuatro módulos que están vinculados por nodos concentradores (negro). Estos nodos centrales son claramente importantes para conectar módulos entre sí, pero solo están débilmente interconectados entre ellos mismos. (B) Si se añaden más conexiones entre módulos, los nodos centrales forman ahora un “club de ricos” densamente interconectado, que consta de 5 nodos con un grado 4 o más. (C) La misma red que se muestra en (B), de la que se han eliminado los nodos de bajo grado, lo que dibuja ahora un núcleo central que comprende 4 nodos de grado mínimo 3 (Imagen de ”Structure and Function of Complex Brain Networks”, figura 5, Olaf Sporns, Dialogues in Clinical Neuroscience, septiembre 2013, fair use)

La existencia de módulos cohesionados lógicamente implica la existencia de fronteras en cuyo interior se pueden desarrollar una variedad de funciones especializadas. La eficaz interconexión entre módulos posibilita el intercambio rápido y eficiente de información entre las regiones del sistema, las cuales tienden a contribuir a un conjunto común de tareas o respuestas. A los puntos comunes de intercomunicación entre esos módulos, en la teoría de redes, se les conocen como “concentradores” (en el mundo anglosajón, hub’s), identificados generalmente por el conjunto de esas tres características: (1) su alto grado de conexionado mutuo dentro del conjunto de su módulo; (2) su alta “centralidad”, expresada como el número de rutas de comunicación cortas que pasan a través del nodo (una especie de plazas centrales en la red social); y (3) por la riqueza de los perfiles de sus conexiones que se extienden más allá de las fronteras de los módulos. Pues bien, en la mayoría de los estudios que han intentado buscar tal circunstancia en las redes cerebrales se sugiere la existencia de un conjunto de regiones -que incluyen porciones de la corteza parietal medial (interna) y superior, así como regiones específicas de las cortezas orbitofrontal y frontal superior y lateral- que, por su alta centralidad y por su tipo de estructura -que encajaría perfectamente como la específica de un centro interconectador de múltiples módulos-, cumplirían con las característica exigidas a los “concentradores”.

La teoría general de redes, además de decirnos que en las redes estructurales los concentradores desempeñan importantes funciones integradoras, nos sugiere también el hecho de que se observa una tendencia a que los hub’s estén densamente interconectados en un “complejo de hubs” estructural (ver figura anterior derecha). En otras disciplinas distintas a la del estudio de las redes neuronales se habla de la existencia de lo que llaman un “club de ricos“: un conjunto de regiones concentradoras que están más densamente interconectadas que lo que pudiera predecir el azar y que son elementos muy importantes de la arquitectura de la red, ya que proporcionan un sustrato estructural para integrar y difundir información en toda la red.

Pues bien, un estudio de la arquitectura de las redes cerebrales (ver figura que sigue) ha “revelado también la existencia de lo que parece ser un “club de ricos” que incluye regiones centrales altamente interconectadas de la corteza frontal superior, la corteza parietal superior y el precúneo,^[5] además de varias regiones subcorticales que incluyen el tálamo, el hipocampo y parte de los ganglios basales. El 89% de todas las rutas de comunicación cortas entre las regiones que conforman los “clubs de no ricos” cerebral, pasan a través de ese “club de ricos”.^[6]

“Club de ricos” cerebral representado según unas figuras con vocación 3D que representan al cerebro visto desde arriba. En la red de la izquierda el tamaño de los nodos -en rojo- refleja su número de conexiones (nodos más grandes representan regiones más densamente conectadas). Las conexiones entre las regiones del “club de ricos” están en azul oscuro y las conexiones de los nodos del club de ricos con otras regiones de la red del cerebro, en azul claro, lo que nos permite saber que casi todas las regiones del cerebro tienen, al menos, un enlace directo con ese club. A la derecha se muestra la extracción de datos de solo las regiones corticales (es decir, excluyendo del análisis todas las regiones subcorticales), lo que nos dibuja al “club de ricos” concentrado en el precúneo bilateral^[7] y las regiones parietal y frontal superiores. La escala de colores indica el número de conexiones mínima de cada nodo (Imagen modificada -figuras 4 y 5- del artículo “Rich-Club Organization of the Human Connectome”, Olaf Sporns y Martijn P. van den Heuvel, Journal of Neuroscience, 2011)

Los resultados del estudio mencionado quedan resumidos en la figura anterior, que representa esquemáticamente el volumen de un cerebro visto desde arriba. En ella se muestra a la izquierda el “club de ricos” cerebral y el subgrafo de nodos que tienen en promedio, al menos, 17 conexiones. En ella se puede ver que casi todas las regiones del cerebro tienen al menos un enlace directamente con el “club de ricos”. Y a la derecha vemos la extracción que se ha hecho de acuerdo a un criterio de podado para ir seleccionando las uniones de mayor fortaleza, lo que deja al descubierto un núcleo de alto nivel en la zona cortical -áreas superiores frontales y parietales y el precúneo- representado por los nodos de mayor tamaño y sus interconexiones directas en colores virados hacia el rojo y naranja, lo que indican su gran fortaleza. Precisamente son las características que comentamos más arriba como definitorias de los “conectores” o hub’s.

En resumen, y usando palabras de Sporns:^[8] “La imagen que en la actualidad está emergiendo de la organización del conectoma humano es la de una red modular con características de “mundo pequeño”, formada por agrupaciones de redes que están interconectadas por una subred coherente o núcleo de “concentradores”, cuya posición general dentro de la red sugiere el hecho de que claramente desarrolla un papel central en la ordenación del flujo y en la integración de la información global.”

Como vemos, el análisis de las redes cerebrales mediante técnicas de teoría de grafos y análisis de redes se presenta como una herramienta muy potente y prometedora. Está prácticamente iniciando su andadura^[9], aunque con mucho entusiasmo e iniciativa por parte de profesionales y equipos, que podríamos conceptuar como “neurólogos teóricos”, de todas las partes del planeta, en donde destaca el Proyecto Conectoma Humano cuyo objetivo es construir un “mapeo de red” que arroje luz sobre la conectividad anatómica y funcional dentro del cerebro humano sano, así como producir un conjunto de información que facilite la investigación de los trastornos cerebrales.

Con esta especie de reconocimiento a la iniciativa científica, dejamos ahora el recorrido por el conectoma físico para en la siguiente entrada hablar del conectoma funcional.

1. Ya hablamos de ello en otras entradas de esta serie, ésta y esta otra.
2. Es famosa la teoría de los seis grados de separación, que consiste en la idea de que cualquier persona puede estar conectada a cualquiera otra del planeta a través de una cadena de conocidos que no tiene más de cinco intermediarios, es decir, con sólo seis enlaces.
3. De su recomendable libro físico-filosófico “El Gran Cuadro“, página 370, Ediciones de Pasado y Presente, S.L. (2017).
4. “El Gran Cuadro“, página 371, Ediciones de Pasado y Presente, S.L. (2017).
5. Como creo que con este nombre, precúneo, va a hacer difícil identificar su localización, aclaro un poco que se denomina así a una parte del lóbulo parietal superior, oculto en la fisura longitudinal que separa los dos hemisferios cerebrales. A veces se describe como la zona medial -interna- de la corteza parietal superior.
6. “Rich-club organization of the human connectome”, Martijn P. van den Heuvel y Olaf Sporns, The Journal of Neuroscience, noviembre 2011.
7. Se denomina precuña o precúneo a una parte del lóbulo parietal superior oculto en la fisura longitudinal que separa los dos hemisferios cerebrales.
8. Traducción de jreguart a partir de “Structure and Function of Complex Brain Networks“, Olaf Sporns, Dialogues in Clinical Neuroscience, septiembre 2013.
9. Ya dijimos en la entrada anterior que quizás el momento fundacional fue un artículo de Olaf Sporns en el año 2005.