4-base fisiologica del aprendizaje

Capítulo 4

BASE FISIOLÓGICA DEL APRENDIZAJE MOTOR Y RECUPERACIÓN FUNCIONAL

Introducción Definición de Plasticidad Neural Aprendizaje y Memoria Localización del Aprendizaje y Memoria ¿Cómo el Aprendizaje Cambia la Estructura y Función de las Neuronas Cerebrales? Base Psicológica de las Formas de Aprendizaje No Asociativas Habituación Sensibilización Plasticidad Neural y Aprendizaje Asociativo Condicionamiento Clásico Condicionamiento Operativo

Aprendizaje Declarativo Aprendizaje por Procedimiento Aprendizaje Perceptivo Plasticidad y Recuperación Funcional Respuestas Celulares a una Lesión Shock Neuronal Eficiencia Sináptica Hipersensibilidad a la Desnervación Sinapsis Inactiva Sinaptogénesis Regenerativa y Reactiva Aspectos Globales de la Plasticidad Resumen

INTRODUCCIÓN

En el capítulo 2 definimos aprendizaje como el proceso de obtener conocimientos sobre el mundo, y aprendizaje motor como el proceso de adquisición y/o modificación del movimiento. También mencionamos que, al igual que el control motor, el aprendizaje motor debe verse como una interacción entre el individuo, la actividad y el medio ambiente. En este capítulo ampliamos nuestro conocimiento sobre la base fisiológica del control motor para incluir al aprendizaje motor. Se demuestra que la fisiología del aprendizaje motor, al igual que la del control motor, se distribuye a través de diversas estructuras cerebrales y niveles de procesamiento, en lugar de estar localizada en una zona del cerebro particular para el aprendizaje. Asimismo, se expone que la base fisiológica de la recuperación funcional es similar a la del aprendizaje, ya que comprende procesos que ocurren en todo el sistema nervioso y no sólo en la región lesionada. Tales procesos tienen muchas propiedades en común con aquellos que ocurren durante el aprendizaje. Este capítulo se enfoca en la base fisiológica del aprendizaje motor y de la recuperación funcional, señalando las diferencias y semejanzas entre estos importantes procesos. El material se agrega a lo presentado en el apartado sobre la base fisiológica del control motor. Debido a que suponemos que el lector tiene una familiaridad básica con los conceptos presentados en el capítulo 3, esas nociones no serán revisadas nuevamente en esta sección.

Esenciales para el análisis sobre la base fisiológica del aprendizaje motor son los elementos relacionados con la fisiología de la memoria. Una pregunta fundamental planteada en este capítulo es: ¿cómo el aprendizaje cambia la estructura y función de las neuronas cerebrales? Otra pregunta de igual preocupación es: ¿qué cambios en la estructura y función de las neuronas subyacen a la recuperación funcional después de una lesión? También exploramos la posibilidad de que la plasticidad fisiológica asociada con la recuperación sea igual o diferente a la implicada en el aprendizaje. En general, las opiniones anteriores han sostenido que la recuperación y el aprendizaje son distintos, sin embargo, estudios fisiológicos sugieren que son similares por el hecho de que muchos de los mismos mecanismos neuronales subyacen a ambos cambios.

Definición de Plasticidad Neural Definimos plasticidad como la capacidad de manifestar una modificación. En esta obra utilizamos dicho término por su relación con la trasnformación neural. La plasticidad, o posibilidad de cambio neural, puede considerarse como una continuo desde las variaciones funcionales momentáneas a aquellos cambios estructurales duraderos. La plasticidad neural a corto plazo manifiesta cambios en la eficiencia o fuerza de las conexiones sinápticas. En cambio, la plasticidad estructural apunta a variaciones en la organización y número de conexiones entre las neuronas.

72

Capítulo Cuatro FISIOLOGÍA DEL APRENDIZAJE MOTOR Y RECUPERACIÓN FUNCIONAL 73

De forma similar, el aprendizaje puede ser considerado como una evolución de cambios desde el corto al largo plazo en la capacidad de realizar acciones especializadas. La transformación gradual del aprendizaje momentáneo hacia el duradero refleja un avance en el continuo de la posibilidad de cambio neural, ya que paulatinamente, un incremento en la eficiencia sináptica da paso a cambios estructurales, los cuales son el soporte de la modificación del comportamiento a largo plazo. Esta relación se ilustra en la Figura 4.1.

Aprendizaje y Memoria El aprendizaje se define como la adquisición de un conocimiento o de una habilidad; la memoria corresponde a la retención y almacenamiento de ese conocimiento o habilidad (1). El primero refleja el proceso mediante el cual obtenemos conocimientos; la memoria es el producto de ese proceso y normalmente se divide en almacenamiento a corto y a largo plazo. La memoria a corto plazo se refiere a la memoria operativa, la cual tiene una capacidad limitada para la información y sólo dura por algunos instantes. Refleja una atención momentánea a algo, como cuando recordamos un número telefónico sólo por el tiempo necesario para marcarlo y después desaparece. La memoria a largo plazo se relaciona estrechamente con el proceso del aprendizaje, también puede considerarse como un continuo. Las etapas iniciales de su formación reflejarían variaciones funcionales en la eficiencia de las sinapsis. Los estados posteriores manifiestan cambios

estructurales en las conexiones sinápticas. Estos recuerdos están menos propensos a alteraciones.

Localización del Aprendizaje y Memoria

¿El aprendizaje y la memoria se localizan en una estructura cerebral específica? Parece ser que no. De hecho, el aprendizaje puede ocurrir en todas las áreas del cerebro. El aprendizaje y su almacenamiento, la memoria, parecen implicar tanto el procesamiento jerárquico como aquel en paralelo dentro del SNC. Incluso para actividades de aprendizaje relativamente simples, se emplean múltiples canales paralelos de información. Además, los elementos pueden ser almacenados en muchas zonas cerebrales diferentes. Aparentemente, los mecanismos tras ambos procesos son los mismos sea que el aprendizaje ocurra en circuitos muy simples sea que implique sistemas tan complejos que incorporen muchos aspectos de la jerarquía del SNC. De este modo, los modelos neuronales actuales de la memoria sugieren que se basa en un patrón de cambios de las conexiones sinápticas entre las redes neuronales distribuidas por el cerebro (1). Este capítulo describe el continuo de la plasticidad dentro del sistema nervioso que corresponde al aprendizaje, y en forma específica, al aprendizaje motor. Se exponen los procesos que lo fundamentan, así como aquellos que subyacen a la recuperación funcional. Una vez entendido eso, se proporcionarán los principios de la plasticidad relacionados con el aprendizaje y la recuperación

Cambio Neural Figura 4.1. Diagrama que ilustra el

cambio gradual del aprendizaje momentáneoal duradero reflejado en un avance en elcontinuo de la posibilidad de cambio neural.Las variaciones a corto plazo, asociadas conun aumento de la eficiencia sináptica,persisten y gradualmente dan paso a cambiosestructurales, el soporte del aprendizaje a largoplazo.

Cambios en las conexiones sinápticas

Cambios constantes

Cambios en la eficiencia sináptica

Continuo del aprendizaje paralelo

Cambios constantes

Cambios a corto plazo

Cambios a largo plazo

74 Sección I MARCO TEÓRICO

funcional. Luego, en capítulos posteriores, dichos principios se aplicarán al marco de la terapia.

¿CÓMO EL APRENDIZAJE CAMBIA LA ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS

NEURONAS CEREBRALES? Diversos factores modifican en forma potencial las conexiones sinápticas. Durante el desarrollo, la conectividad sináptica se realiza bajo el control de procesos genéticos y de desarrollo. Estas conexiones se perfeccionan durante varios periodos decisivos del desarrollo por la interacción de los factores ambientales y genéticos. En este capítulo abordamos las modificaciones de las conexiones sinápticas que dependen de la actividad, es decir, la variación sináptica tanto transitoria como a largo plazo, ambas resultado de la experiencia. El aprendizaje altera la capacidad para actuar al cambiar la eficiencia y las conexiones anatómicas de las vías neurales. Analizaremos las modificaciones de las conexiones sinápticas en la célula y en la completa red neuronal.

Base Fisiológica de las Formas de Aprendizaje No Asociativas

Recordemos que en las formas de aprendizaje no asociativas, la persona asimila las propiedades de un estímulo repetido. La supresión adquirida de una respuesta hacia un estímulo inofensivo es denominada habituación. En cambio, el aumento de una respuesta hacia un estímulo sistemáticamente precedido por un elemento nocivo es llamado sensibilización. Tenga en mente que las formas de aprendizaje no asociativas pueden ser a corto plazo o duraderas. ¿Cuáles son los mecanismos neuronales tras estas formas simples de aprendizaje, y los mismos mecanismos subyacen tanto a los cambios momentáneos como a los duraderos? HABITUACIÓN La habituación fue estudiada inicialmente por Sherrington, quien descubrió que el reflejo flexor se habituaba a la repetición de un estímulo. Investigaciones más actuales que han analizado este proceso en redes neuronales relativamente simples de animales invertebrados han demostrado que se relaciona con una disminución de la actividad sináptica entre las neuronas sensoriales y sus conexiones hacia interneuronas y neuronas motoras (2, 3).

Durante la habituación, ocurre una reducción en la amplitud de los potenciales sinápticos (una disminución del potencial excitatorio postsináptico [PEPS]) producida por la neurona sensorial en la interneurona y la neurona motora. Este cambio momentáneo se ilustra en la Figura 4.2A. Durante las etapas iniciales del aprendizaje, el tamaño reducido del PEPS puede durar por sólo algunos minutos. Con la presentación continua del estímulo, se producen cambios persistentes en la eficiencia sináptica, lo cual corresponde a la memoria a largo plazo de la habituación. Durante el transcurso del aprendizaje, la exposición continua a un estímulo origina cambios estructurales en las mismas células sensoriales. Estas variaciones incluyen una disminución en el número de conexiones sinápticas entre las neuronas sensoriales y las interneuronas y neuronas motoras, la cual se muestra en forma esquemática en la Figura 4.2B. Además, se reduce el número de zonas transmisoras activas dentro de las conexiones existentes. Como resultado de estos cambios estructurales, la habituación permanece por semanas y meses, correspondiendo a la memoria a largo plazo de la habituación. Así, este proceso no necesita neuronas de almacenamiento de memoria específicas que se encuentren en lugares particulares del SNC. Más bien, la memoria (la retención de la habituación) es el resultado de un cambio en aquellas neuronas que son componentes normales de la vía de respuesta. ¿Cómo se aplica esta investigación a las estrategias de tratamiento utilizadas por los terapeutas en la clínica? Como lo mencionamos anteriormente, se realizan ejercicios de habituación con aquellos pacientes que padecen de ciertos tipos de trastornos en el oído, los cuales producen vértigo cuando mueven la cabeza en formas determinadas (4). Cuando los pacientes comienzan el tratamiento, pueden experimentar una caída inicial en la intensidad de sus síntomas durante el transcurso de una sesión de ejercicios. Pero al día siguiente, el vértigo reaparece al mismo nivel. Gradualmente, después de días y semanas de practicar los ejercicios, la persona comienza a ver que la disminución del vértigo continúa con las sesiones (4). Los estudios de Kandel proponen que, en un principio, con el ejercicio se produce una reducción temporal de la eficiencia sináptica de ciertas neuronas vestibulares y de sus conexiones, debido a la disminución del tamaño del PEPS. Con el ejercicio constante, dichos cambios se vuelven más constantes. Además, ocurren variaciones estructurales, incluyendo una reducción en el número de sinapsis de


Habituación a largo plazo Habituación a corto plazo

Amplitud dePEPS en sinapsis

A B Control Conexiones reducidas

C Control Conexiones aumentadas

Figura 4.2. Las modificaciones neuronales bajo el aprendizaje no asociativo a corto y largo plazo. A, Lahabituación a corto plazo es resultado de la disminución de la amplitud del PEPS en la sinapsis entre la neuronasensorial y motora. B, La habituación a largo plazo produce una disminución en el número de conexiones. C, Lasensibilización a largo plazo origina un aumento de en número de conexiones. (Adaptado de Kandel ER. Cellularmechanisms of learning and the biological basis of individuality. En: Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM, eds.Principles of neuroscience. 3rd ed. New York: Elsevier, 1991: 1009-1031.)

las neuronas vestibulares hacia las interneuronas. Con la llegada de los cambios estructurales, continúa la disminución del vértigo en respuesta a los movimientos repetidos de la cabeza, permitiéndole al paciente suspender la práctica sin volver a experimentar los síntomas. Es posible que si los ejercicios son interrumpidos muy pronto, antes de que se hayan producido los cambios estructurales en las conexiones sensoriales, el vértigo reaparecerá por una pérdida de la habituación. SENSIBILIZACIÓN Como lo señalamos en el Capítulo 2, la sensibilización es causada por un fortalecimiento de las respuestas a estímulos potencialmente perjudiciales. También puede ser a corto y largo plazo y puede afectar exactamente al conjunto de sinapsis que presentan una habituación. No obstante, los mecanismos involucrados en la sensibilización son un poco más complejos que los de la habituación. Una forma en que puede producirse es prolongando el potencial de acción mediante cambios en la conductividad del potasio. Esto permite que se liberen más transmisores desde los terminales, lo que origina un aumento del PEPS, lo cual también parece mejorar la movilización del transmisor, haciendo más fácil su liberación (2).

La sensibilización, al igual que la habituación, puede ser a corto o largo plazo. Los mecanismos para la memoria a largo plazo comprenden las mismas células que la de corto plazo, pero ahora se aprecian cambios estructurales en tales células (3, 5). Kandel (6) demostró que en los invertebrados la sensibilización a corto plazo produce cambios en estructuras proteicas preexistentes, mientras que la de largo plazo implica la síntesis de proteínas nuevas en la sinapsis. Dicho resultado significa que la sensibilización a largo plazo ocasiona cambios influidos genéticamente. Esta influencia genética también origina el crecimiento de nuevas conexiones sinápticas, como se indica en la Figura 4.2C. Se descubrió que los animales que presentaron sensibilización a largo plazo tenían el doble de terminales sinápticas que los no entrenados, un incremento de las dendritas en las células postsinápticas y un aumento en el número de zonas activas en las terminales sinápticas, de 40 al 65% (7). En resumen, la investigación de la habituación y sensibilización sugiere que las memorias a corto y largo plazo no pertenecerían a categorías separadas, sino que podrían ser parte de una única función de memoria gradual. Con la sensibilización, así como con la habituación, ambas memorias implican cambios en las mismas sinapsis. Mientras que las


alteraciones a corto plazo reflejan variaciones relativamente temporales en la eficiencia sináptica, los cambios estructurales son el distintivo de la memoria a largo plazo (2).

Plasticidad Neural y Aprendizaje Asociativo

Recordemos que durante el aprendizaje asociativo una persona aprende a predecir relaciones, sean de un estímulo con otro (condicionamiento clásico), o entre un comportamiento con una consecuencia (condicionamiento operativo). Mediante el aprendizaje asociativo aprendemos a formar relaciones fundamentales que nos ayudan a adaptar nuestras acciones al medio ambiente. Los científicos, al examinar la base fisiológica del aprendizaje asociativo, han descubierto que puede ocurrir a través de cambios simples en la eficiencia sináptica sin necesitar complejas redes de aprendizaje. Este aprendizaje, a corto o largo plazo, utiliza procesos celulares comunes. Al comienzo, cuando dos neuronas realizan sus descargas al mismo tiempo (o sea, en asociación), existe una modificación de las proteínas existentes en su interior que produce un cambio en la eficiencia sináptica. La asociación a largo plazo da como resultado la síntesis de nuevas proteínas y la subsiguiente formación de nuevas conexiones sinápticas entre las neuronas. CONDICIONAMIENTO CLÁSICO Durante el condicionamiento clásico, un estímulo débil al principio (el estímulo condicionado) se vuelve altamente efectivo en producir una respuesta cuando se le asocia con uno más fuerte (el estímulo no condicionado). Es parecido a la sensibilización, aunque más complejo. De hecho, puede considerarse que el condicionamiento clásico es simplemente una extensión de los procesos implicados en la sensibilización. Recuerde que en el condicionamiento clásico, la sincronización es trascendental. Cuando los estímulos condicionado y no condicionado convergen en la misma neurona, se realiza la facilitación si el estímulo condicionado produce potenciales de acción en la neurona justo antes de la llegada del estímulo no condicionado. Esto se debe a que los potenciales de acción permiten que el Ca+ entre en la neurona presináptica para luego ser el encargado de activar los transmisores moduladores especiales envueltos en el condicionamiento clásico. Si la actividad ocurre después del estímulo no condicionado, el Ca+ no se

libera en el momento preciso y el estímulo no tiene efecto (2, 8). CONDICIONAMIENTO OPERATIVO Aunque el condicionamiento operativo y el clásico pueden parecer dos procesos diferentes, en realidad, las leyes que rigen ambos procesos son similares, lo que indica que serían controlados por los mismos mecanismos neurales. En cada tipo de condicionamiento, el aprendizaje implica el desarrollo de relaciones predictivas. En el condicionamiento clásico, un específico particular supone una respuesta particular. En el operativo, aprendemos a adivinar el resultado de comportamientos específicos. Sin embargo, los mismos mecanismos celulares que fundamentan el condicionamiento clásico también son responsables del condicionamiento operativo. APRENDIZAJE DECLARATIVO Recuerde que el aprendizaje asociativo también puede analizarse según el tipo de conocimiento adquirido. El aprendizaje por procedimiento se aplica al aprendizaje de acciones que pueden realizarse automáticamente, o sea, sin atención o pensamiento consciente. En cambio, el aprendizaje declarativo requiere procesos reflexivos como conciencia y atención y genera conocimientos que pueden expresarse de forma conciente. El aprendizaje por procedimiento se expresa mediante un desempeño mejorado de la actividad aprendida, mientras que el declarativo puede mostrarse en formas distintas a la aprendida. En concordancia con los dos tipos de aprendizaje asociativo descritos, los científicos piensan que los circuitos involucrados en el almacenamiento de ambos tipos de aprendizaje son diferentes. La memoria por procedimiento afecta principalmente circuitos del cerebelo, mientras que la declarativa involucra circuitos del lóbulo temporal (1). Wilder Penfield, un neurocirujano, fue uno de los primeros investigadores en comprender la importante tarea de los lóbulos temporales en el funcionamiento de la memoria. Mientras realizaba cirugías en el lóbulo temporal de pacientes con epilepsia, estimuló sus los lóbulos temporales cuando estaban conscientes, a fin de determinar la ubicación del tejido afectado y del normal. Ellos experimentaron recuerdos pasados como si sucedieran nuevamente. Por ejemplo, una persona escuchó la música de un evento ocurrido hace mucho


tiempo, percibió la situación y sintió las emociones que rodearon el canto de esa música, además, todo ocurría en tiempo real (9). En los humanos, las lesiones en el lóbulo temporal de la corteza y en el hipocampo pueden interferir con el establecimiento de la memoria declarativa. Algunos pacientes han sido analizados después de la extracción del hipocampo y de áreas del lóbulo temporal por epilepsia. Después de la cirugía, los pacientes ya no pudieron adquirir recuerdos declarativos a largo plazo, auque conservaban experiencias pasadas. Su memoria a corto plazo era normal, pero si distraían su atención de un elemento reservado en dicha memoria, lo olvidaban completamente. No obstante, el aprendizaje de habilidades no se vio afectado. Con frecuencia aprendían una actividad compleja pero eran incapaces de recordar los procedimientos que componían el ejercicio o los eventos que rodeaban su aprendizaje (10). Este trabajo sugiere que el lóbulo temporal y el hipocampo pueden ser importantes para el establecimiento de la memoria, pero no son parte del área de almacenamiento de los recuerdos.

El hipocampo, una estructura subcortical, y parte del circuito del lóbulo temporal, es esencial para el aprendizaje declarativo. Los estudios han encontrado indicios de cambios estructurales en sus neuronas parecidos a los hallados en circuitos neurales de animales más simples después de un aprendizaje. Los investigadores han demostrado que las vías del hipocampo poseen una facilitación denominada potenciación a largo plazo (PLP), la cual es similar a los mecanismos que causan la sensibilización (2, 11). Por ejemplo, en una región del hipocampo, la PLP ocurre cuando llegan un estímulo débil y uno excitatorio a la misma región de la dendrita de una neurona. El estímulo débil aumentará si se activa en asociación con el fuerte. Este proceso se muestra en la Figura 4.3. La PLP parece necesitar la descarga simultánea de las células pre y postsinápticas. Después de que esto sucede, la PLP se mantiene mediante un aumento de la liberación del transmisor presináptico. Se ha descubierto potenciación a largo plazo en diversas zonas cerebrales, además del hipocampo, y se ha demostrado que está implicada en la memoria

Potenciación a largo plazoAntes de la asociación

Estímulodébil

Débil

PEPS débilPEPS fuerte Estímulo

fuerte Fuerte

A

Después de la asociación

Estímulodébil

Estímulofuerte

PEPS aumentado en el estímulo débil al conectarlo con el fuerte B

Figura 4.3. Esquema de la base celular de la potenciación a largo plazo. A, Antes de la conexión con unestímulo fuerte, el estímulo débil sólo produce un leve PEPS. B, Después de la asociación, se produce unaumento de PEPS por la conexión del estímulo débil con el fuerte. (Adaptado de Kandel ER. Cellularmechanisms of learning and the biological basis of individuality. En: Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM, eds.Principles of neuroscience. 3rd ed. New York: Elsevier, 1991: 1009-1031.)


espacial (2). Por ejemplo, Morris et al. (12) realizó el siguiente experimento, ratas nadaban por un laberinto de agua para encontrar una plataforma bajo el líquido, el cual fue opacado a fin de impedir el uso de la visión para encontrar el objetivo. Las ratas eran liberadas en diferentes partes del laberinto y se les exigía que utilizaran señales especiales relacionadas con la posición de las paredes para encontrar la meta. También realizaban una actividad no espacial en la cual la plataforma estaba sobre el agua y el roedor podía emplear simplemente las señales visuales para nadar hacia el objeto. Estos experimentos demostraron que el bloqueo de receptores específicos de las neuronas del hipocampo hacía que las ratas no aprendieran el modelo espacial de la actividad. Esto sugieren que ciertas neuronas de dicho órgano están involucradas en el aprendizaje espacial mediante la PLP. APRENDIZAJE POR PROCEDIMIENTO El aprendizaje por procedimiento parece conectarse con el cerebelo, se ha demostrado que su

circuito celular único es perfecto para la modificación de respuestas motoras a largo plazo. Recordará que el cerebelo posee dos tipos de fibras de estimulación, las fibras trepadoras y las fibras musgosas, y un tipo de fibras de respuesta, las células de Purkinje. Generalmente, los estímulos de las fibras trepadoras comunican errores a las células de Purkinje y son importantes para la corrección del movimiento en curso. En cambio, los estímulos de las fibras musgosas proporcionan información cinestésica sobre el movimiento, fundamental para el control. La Figura 4.4 explora la relación de estas fibras. Se ha descubierto que los estímulos de las fibras trepadoras que notifican errores a las células de Purkinje pueden aumentar o disminuir la fuerza de las sinapsis de las fibras musgosas hacia las mismas células de Purkinje. Esto produce un cambio a largo plazo en la respuesta de dichas células, lo cual contribuye al aprendizaje motor. Gilbert y Thach (13) analizaron la función del cerebelo en el aprendizaje motor durante experimentos en los cuales entrenaban monos para que devolvieran una manilla a una posición central

Célula en cestaCélula estrellada

Neurona de Purkinje

Capa molecular Células de

Golgi Capa de Purkinje Corteza

Célula granular Capa

granular

Fibras trepadoras Núcleos

intracerebelar y vestibular

Inhibición

Excitación Estímulo Médula espinal, núcleo cuneiforme externo, Núcleo reticular, núcleo pontino

Estímulo de laoliva inferior

Respuesta

Figura 4.4. Diagrama del cerebelo que ilustra la relación entre los estímulos de las fibras musgosas ytrepadoras, esenciales para el aprendizaje.


cuando ésta se movía a la izquierda o derecha. Durante las sesiones, monitorearon la actividad de las neuronas de Purkinje en el área braquial del lóbulo anterior del cerebelo. Una vez que se aprendía el ejercicio y se realizaba repetidamente en las mismas condiciones, el movimiento del brazo era acompañado por cambios predecibles principalmente en los estímulos de las fibras musgosas que informan la cinestesia del movimiento, junto con un estímulo ocasional de las fibras trepadoras. Luego se modificó la actividad, haciendo que el mono empleara más fuerza para que la manilla volviera a su posición original. Al principio el animal no pudo realizar la acción en un movimiento simple. Pero gradualmente, aprendió a responder en forma correcta. En los primeros intentos del nuevo ejercicio, se produjo un repentino incremento en la actividad de las fibras trepadoras, que indicaban error. Este incremento en la actividad de las fibras trepadoras se asoció con una reducción en la eficiencia de las conexiones de las fibras musgosas con las células de Purkinje. Luego, se asoció la reducción de las respuestas de estas últimas con un aumento en la generación de fuerza, lo que ahora permitió que el mono completara la acción satisfactoriamente. De este modo, parece ser que los cambios en la eficiencia sináptica entre estas neuronas del cerebelo son un factor importante en la modificación de los movimientos con el aprendizaje por procedimiento. Este tipo de aprendizaje cerebeloso también puede ocurrir en el circuito del reflejo vestíbulo-ocular, el cual incluye vías del cerebelo. Este reflejo mantiene los ojos fijos en un objeto cuando la cabeza se mueve. En experimentos en que humanos usaron lentes con un prisma que invertían la imagen para el ojo, el reflejo vestíbulo-ocular era transformado con el tiempo. Esta modificación no ocurría con lesiones en el cerebelo (14). APRENDIZAJE PERCEPTIVO El aprendizaje perceptivo, o la formación de recuerdos sensoriales, es en realidad un tipo de aprendizaje no asociativo (1), es más complejo que la habituación o la sensibilización, por lo que se presenta separadamente. ¿Cómo se produce realmente el aprendizaje perceptivo? Por ejemplo, cuando a alguien se le presenta un nuevo ejercicio por primera vez, y luego ve a alguien realizándolo, con frecuencia es capaz de recordar su esencia después de sólo una demostración. Una hipótesis es que, en el proceso de observar una situación nueva, el cerebro almacena

una representación codificada de ella en la corteza visual y reconocemos ese estímulo cuando esta representación visual se reactiva por la misma escena en un momento posterior. Los experimentos con monos de Mishkin et al. (15) apoyan esta hipótesis e indican que estas representaciones codificadas de estímulos visuales se almacenan en las áreas de asociación sensorial de nivel superior de la corteza visual. ¿Cómo se guarda esta representación? Cuando vemos una situación única, este nuevo conjunto de estímulos visuales es codificado por circuitos neuronales paralelos de la corteza visual, que registran el tamaño, color, textura y forma. Estos circuitos se ubican en lugares como las áreas de Brodmann, la 18, 20, 21 y 37 de la corteza visual superior. Estas vías paralelas se reúnen en un único conjunto de neuronas de la corteza temporal inferior y, a su vez, estimulan un circuito resonante que incluye neuronas de la vía corteza-limbico-tálamo-corteza (incluyendo neuronas de la amígdala, hipocampo, tálamo, las que retornan a la corteza visual). Este circuito actúa como un mecanismo de repetición automático que fortalece las conexiones que fueron parte de la primera activación del circuito. Posteriormente, cuando las neuronas se reactivan, la vía puede ser considerada como la representación almacenada de la situación. Este recuerdo visual también interactuará con otras nociones que fueron determinadas al mismo tiempo, como los recuerdos sensoriales, emocionales, espaciales y motores. Así, la primera vía puede despertar a las otras o ser despertada por ellas mediante las conexiones recíprocas entre las diferentes partes de la corteza.

PLASTICIDAD Y RECUPERACIÓN FUNCIONAL

A principios de este siglo, los experimentos realizados por Ramon y Cajal sugirieron que no era posible el crecimiento de las neuronas del SNC en los mamíferos adultos. Esto conllevó a una perspectiva del SNC que lo veía como una estructura estática con conexiones rígidas e inalterables (16). Esta opinión permaneció hasta fines de la década de 1960 y 1970, cuando los investigadores comenzaron a descubrir el crecimiento y la reorganización de las neuronas en el SNC adulto después de una lesión. Gran parte de estos primeros trabajos demostraron que las células que perdían su estimulación normal como consecuencia de una lesión podían recibir nuevas conexiones (17). Estos primeros estudios han contribuido a perspectivas más actuales del SNC que


Degeneración transneuronalortógrada

LesiónLesión

Degeneración retrógrada

Degeneración transneuronal retrógrada

Trastorno secundario

Trastorno inicial

Normal

Figura 4.5. Esquema que ilustra el trastorno neuronal secundario que se produce como parte de la cascadade eventos después de una lesión neural. A, Función neuronal normal. B, Interrupción de las proyeccionesaxonales del área dañada. C, Trastorno neuronal secundario

lo consideran como una estructura capaz de cambios dinámicos en las vías paralelas de todos los sitios de distribución. Investigaciones posteriores que han analizado la modificación de los circuitos neuronales después de una lesión han demostrado que el SNC posee sorprendentes capacidades para la reorganización y que este proceso tiene consecuencias funcionales. (17). ¿Cuánto puede reorganizarse en SNC después de una lesión? ¿ Estos procesos pueden manipularse para facilitar la reorganización del SNC? Estas y otras preguntas son de gran importancia para los científicos y médicos que participan en la rehabilitación de pacientes con daños cerebrales. Una lesión en el SNC puede afectar la función neuronal por un daño directo a las mismas neuronas. Además, los trastornos de la función neuronal pueden ser el resultado de efectos indirectos de lesiones que perjudican el flujo sanguíneo del cerebro, el control del líquido cefalorraquídeo o el metabolismo cerebral. Como se expone en la Figura 4.5, ya sea que el traumatismo se produzca mediante un mecanismo directo o indirecto, el efecto sobre la función neuronal puede implicar (a) la interrupción de las proyecciones axonales de las áreas afectadas (Fig. 4.5B); (b) una desnervación de la población neuronal inervada por las neuronas dañadas (Fig. 4.5C); y (c) la supresión completa de algunas neuronas (Fig. 4.5C) (17). Aparte de la destrucción de las neuronas dañadas en el lugar de la lesión, las consecuencias de

la pérdida sináptica de estas neuronas produce una degeneración en cascada en las vías neuronales, lo que, con el tiempo, aumenta el alcance del trastorno neuronal (17).

Respuestas Celulares a una Lesión La siguiente sección revisa algunos de los eventos que ocurren dentro del sistema nervioso después de una lesión. Estos sucesos pueden contribuir o limitar la recuperación funcional. SHOCK NEURONAL Uno de los primeros acontecimientos después de una lesión en el sistema nervioso es el shock neuronal o diasquisis (18, 19), el cual implica la pérdida momentánea de la función de las vías neuronales a una cierta distancia de la lesión. Tal situación podría surgir por la pérdida de la activación neuronal normal de las áreas sanas. Si éstas últimas se recuperan, hasta cierto punto, de la falta de estímulos del área dañada, se reducirán los síntomas causados por el trastorno del estímulo. EFICIENCIA SINÁPTICA Las neuronas directamente afectadas por la lesión evidencian una pérdida de la eficiencia sináptica. Craik (19) señala que un edema en la zona


de la lesión puede producir una compresión de los axones y un bloqueo fisiológico de la conducción neuronal. La reducción del edema restauraría una porción de la pérdida funcional. Este proceso se ilustra en la Figura 4.6. HIPERSENSIBILIDAD A LA DESNERVACIÓN La hipersensibilidad a la desnervación puede ocurrir cuando las neuronas presentan una pérdida del estímulo procedente de otra región cerebral. En este caso, la membrana postsináptica de una neurona se vuelve hiperactiva a la liberación de una sustancia transmisora. Por ejemplo, la enfermedad de Parkinson ocasiona una pérdida de las neuronas productoras de dopamina en la sustancia negra de los ganglios basales. En respuesta a esta desnervación producida por la enfermedad, las células postsinápticas finales del striatum se vuelven muy sensibles a la dopamina liberada por las neuronas restantes de la sustancia negra. SINAPSIS INACTIVA Durante la recuperación funcional, también se produce una incorporación de las sinapsis inactivas. Esto sugiere que las sinapsis estructurales están presentes en diversas áreas del cerebro que pueden no estar normalmente en funcionamiento por la competencia en las vías neuronales. No obstante, factores experimentales o lesiones pueden ocasionar

SINAPTOGÉNESIS REGENERATIVA Y

su activación al liberarlas de estos efectos previos.

La sinaptogénesis regenerativa ocurre cuando

REACTIVA los axones lesionados comienzan a producir brotes. La sinaptogénesis reactiva, o los brotes colaterales, puede presentarse cuando los axones normales vecinos se extienden para inervar sitios sinápticos previamente activados por el axón dañado. En la Figura 4.7 se ilustran ejemplos de sinaptogénesis regenerativa y reactiva (18, 19).

Ramificaciones regenerativas

Ramificación colateral

Lesión Edema

Shock neuronal

Eficiencia sináptica reanudada

Figura 4.7. Ejemplos de sinaptogénesisregenerativa y reactiva en neuronas relacionadasdespués de una lesión. (Adaptado de Held JM.Recovery of function after brain damage: theoreticalimplications for therapeutic intervention. En: CarrJH, Shepherd RB, Gordon F, et al., eds. Movementsciences: foundations for physical therapy inrehabilitation. Rockville, MD: Aspen Systems,1987: 155-177.)

Figura 4.6. Diagrama de la recuperación de laeficiencia sináptica por la solución del edema, loque permite que continúe la conducción nerviosa.(Adaptado de Craik RL. Recovery processes:maximizing function. En: Contemporarymanagement of motor control problems.Proceedings of the II Step Conference. Alexandria,VA: APTA, 1992: 165-173.)


Aspectos Globales de la Plasticidad

Con el entendimiento de algunas de las

o del sistema

os sobre las áreas r

dido los investigadores sobre la r a

También se ha señalado que estos cambios

s

respuestas neuronales hacia una lesión, podemos preguntarnos cómo contribuye a los aspectos más globales de la plasticidad dentro del sistema nervioso. Por ejemplo, ¿qué tan modificables son los mapas sensoriales-motores de nuestro cerebro? La investigación sobre el desarrollvisual ha demostrado que la corteza visual es altamente modificable por la experiencia durante ciertos periodos esenciales poco después del nacimiento. ¿ También es posible esa capacidad de modificación en otros sistemas sensoriales y motores, y es posible cambiar estos sistemas en adultos así como al principio del proceso de desarrollo? La respuesta a estas preguntas es ¡SÍ! En el Capítulo 3, hablamprima ias de la corteza somatosensorial 1, 2, 3a y 3b, las cuales poseen, cada una por separado, un mapa sensorial del cuerpo. Los estudios (20) han de mostrado que estos mapas de la corteza somatosensorial varían de persona en persona según a la experiencia previa. ¿Qué han aprenfo m en que estos mapas cambian durante la recuperación funcional? Cuando se corta el nervio mediano, que inerva las regiones cutáneas de la mano de un mono, puede esperarse que las partes de la corteza somatosensorial correspondientes se vuelvan inactivas, ya que no habría un estímulo que ingresara en ellas. Pero cuando se realizaron experimentos para evaluar el mapa de la corteza después de una cirugía, se descubrió que los mapas vecinos habían expandido sus campos receptivos para cubrir gran parte de la región desnervada. Estos reemplazos aumentaron aún más en las semanas posteriores a la desnervación (21, 22) Otra investigación efectuada por Mortimer

es (20) han indicado que los a

Mishkin y sus colegas (23) demostró que el área II de la corteza somatosensorial (SII) también es muy modificable. Estos científicos retiraron todos los estímulos desde la representación de la mano que ingresaba a la SII y notaron que, al principio, el área no generaba respuestas. Sin embargo, después de 2 meses, el área pasó a ser receptiva nuevamente y fue ocupada por los estímulos del pie. Esta reorganización afectó a más de la mitad de la representación de la SII. Estudios adicionalm pas somatotópicos de animales normales presentan amplias diferencias entre los individuos. Pero, ¿cómo sabemos si estas diferencias se deben a diversidades

heredadas genéticamente o a la experiencia? Para determinar esto, Merzenich y sus colegas (24) realizaron un experimento en el cual monos podían alcanzar la comida empleando una estrategia que sólo incluía el uso de los dedos cordiales. Después de una experiencia considerable en la actividad, su mapa cortical presentó un área correspondiente al dedo cordial significativamente más grande de lo normal. Esta reorganización en la corteza somatosensorial, resultado del entrenamiento, se ilustra en la Figura 4.8. ocurren en otros niveles del sistema nervioso aparte de la corteza cerebral. Los núcleos de la columna dorsal, la primera articulación sináptica dentro del sistema somatosensorial, también presentan una reorganización después de lesiones periféricas (25). ¿Qué mecanismos contribuyen a los cambioen los campos receptivos como resultado de lesiones o aprendizaje? Los mecanismos envueltos parecen ser muy parecidos a aquellos que hemos analizado anteriormente en relación con el aprendizaje

Normal

Estimulación

Después de la estimulación

Figura 4.8. El entrenamiento produce un

Antes de la estimulación diferencial

diferencial

aumento de la representación cortical (Adaptado deJenkins WM, Merzenich MM, Och MT, Allard T,Guic-Robles E. Functional reorganization ofprimary somatosensory cortex in adult owl monkeysafter behaviorally controlled tactile stimulation. JNeurophysiol 1990; 63: 82-104.)


asociativo. En otros experimentos con monos, Merzenich y sus colegas conectaron dos dedos de un animal, a fin de que éstos siempre sean usados juntos en las actividades (26). Esto significa que los estímulos provenientes de las dos áreas estarían altamente correlacionados en la corteza, lo cual cambió el trazado del área 3b de la corteza somatosensorial, eliminando los límites definidos entre los mapas de ambos dedos. Así, los márgenes normales definidos entre las diferentes partes del cuerpo en nuestros mapas sensoriales y motores pueden depender enormemente de la actividad en esas áreas. ¿Qué nos dicen estos resultados? Sugieren que tenemos múltiples vías que inervan cualquier parte de la corteza sensorial o motora, pero sólo la vía dominante presenta actividad funcional. Sin embargo, cuando se lesiona una vía, la menos dominante puede desarrollar inmediatamente conexiones funcionales. Esto nos lleva a la conclusión que los mapas corticales son muy dinámicos. Incluso en los adultos parece haber una competencia por las conexiones sinápticas que depende del uso de las neuronas. Por lo cual, cuando un área se vuelve inactiva, una contigua puede hacerse cargo de sus objetivos y ponerlos en funcionamiento. Estos experimentos también indican que nuestros mapas sensoriales y motores en la corteza están en constante cambio según la proporción a la cual son activados por los estímulos periféricos. Debido a que cada uno de nosotros ha crecido en una entorno distinto y ha practicado formas diversas de habilidades motoras, los mapas de cada cerebro son únicos y cambian constantemente por estas acciones. ¿Cómo podemos aplicar esta información a la terapia? Primero, significa que donde sea que un paciente sufra una lesión neural, los mapas corticales mostrarán (a) una reorganización inmediata, debida a la activación de las conexiones sinápticas, que antes no eran funcionales, por las áreas vecinas y (b) un cambio a largo plazo, en el cual los estímulos vecinos de las áreas se hacen cargo de las partes del mapa que antes estaban ocupadas por células dañadas o destruidas. Segundo, nos dice que la experiencia es muy importante en la formación de los mapas corticales. De esta forma, si dejamos a los pacientes sin un

entrenamiento de rehabilitación por muchas semanas o meses, sus cerebros manifestarán cambios en la organización, reflejo del desuso, lo cual será muy perjudicial para ellos. Sin embargo, la buena noticia es que el entrenamiento parece marcar la diferencia sin importar cuándo sea realizado, ya que el cerebro continúa siendo modificable por toda la vida.

RESUMEN La investigación sobre la base neurofisiológica del aprendizaje, memoria y recuperación funcional tratada en este capítulo sugiere los siguientes principios fundamentales:

1. El cerebro es increíblemente modificable y posee una gran capacidad de cambio; esto no sólo incluye el cerebro inmaduro sino que también el cerebro adulto desarrollado.

2. La forma más importante en que el entorno cambia el comportamiento humano es mediante el aprendizaje.

3. Los cambios estructurales del SNC se producen por la interacción entre factores genéticos y de la experiencia.

4. Un factor clave en la experiencia es el concepto de competencia activa, y esta puede ser resumida en la frase “debes trabajar para ganar”, o en este caso, para obtener nuevas conexiones sinápticas. Este concepto se puede aplicar tanto a los circuitos simples como a las complejas vías neurales.

5. La investigación sugiere que las memorias a corto y a largo plazo pueden no pertenecer a categorías diferentes, sino que serían parte de un única función graduada de la memoria.

6. Los cambios a corto plazo reflejan cambios relativamente temporales en la eficiencia sináptica; las variaciones estructurales son el sello de la memoria a largo plazo.

7. Los científicos creen que los circuitos envueltos en el almacenamiento del aprendizaje por procedimiento y declarativo son distintos, el primero implica circuitos cerebelosos mientras que el segundo, circuitos del lóbulo temporal.

4-base fisiologica del aprendizaje

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