Persistencia de la memoria a largo plazo

Biografía:

Iván Antonio Izquierdo es un conocido científico brasilero/ argentino, pionero en el estudio de la neurobiología de la memoria y del aprendizaje. Nació en 1937 en Buenos Aires, Argentina, completó la carrera de Medicina en 1961 y obtuvo su doctorado en Farmacología en 1962, siempre en la Universidad de Buenos Aires (UBA). Por algunos años actuó como docente en la Universidad Nacional de Córdoba (UNC), Argentina, pero, en función de una confluencia de factores, tanto políticos (el gobierno militar) cuanto personales (su matrimonio, Ivone, que es nativa de Brasil), emigró a Brasil en el comienzo de los años setenta, y desde 1978 vive en la ciudad de Porto Alegre, estado de Rio Grande do Sul, Brasil. Por más de veinte años, dirigió el "Centro de Memoria" del Departamento de Bioquímica, ICBS, Universidad Federal de Río Grande del Sur (UFRGS),

Introducción

Las investigaciones sobre la memoria han sido muy importantes y fructíferas en cuanto a los mecanismos y circuitos del cerebro involucrados en la formación de la memoria a largo plazo (MLP), la cual se define como la memoria que persiste más que algunas horas. Existe gran cantidad de información relacionada con la participación de muchas vías bioquímicas y áreas del cerebro en la formación de la MLP. En el año 1900 se propuso que la formación de la memoria permanente toma tiempo y que durante ese tiempo, la memoria es vulnerable a las disrupciones. El proceso para desarrollar la memoria estable se denomina “consolidación”, término con el que actualmente se describen dos tipos de procesos. Uno, es rápido y se completa en los minutos y las horas posteriores a la instrucción y finaliza mediante la “consolidación sináptica o celular.” Se cree que este proceso tiene lugar en las sinapsis de los circuitos neuronales que codifican la representación interna dependiente de la experiencia. La consolidación celular comprende la modificación postraslación de las proteínas sinápticas, la modulación de la expresión genética en las sinapsis y el cuerpo celular y, la reorganización de las proteínas pre y pos-sinápticas, las cuales terminan por remodelar las sinapsis. Esto hace que la huella de la memoria sea estable. En otras palabras, la consolidación celular ha sido definida como la transición de la memoria dependiente de la síntesis de proteínas y la expresión genética, a la independencia en regiones cerebrales específicas que participan en la adquisición de una experiencia de aprendizaje particular.

El otro tipo de proceso de consolidación es lento y tarda varios días, semanas o meses en finalizar. Se cree que se produce la reorganización de circuitos o sistemas cerebrales que codifican la memoria y es denominado “consolidación de sistema.” La estabilización de la huella de la memoria en el cerebro se logra mediante la unión gradual de múltiples regiones cerebrales que almacenan la memoria en su totalidad. Sin embargo, cuando la consolidación de nueva información implica la interacción con un sistema “esquemático” asociativo almacenado, puede ser muy rápida. Los estudios con lesiones sugieren que los daños en el hipocampo afectan con mayor intensidad la memoria reciente que la memoria remota. Esto coincide con la idea de que el hipocampo representa un papel temporal en el almacenamiento y/o recuperación de la memoria. Por lo tanto, la  “consolidación de sistema” está normalmente referida al proceso por el cual la memoria se independiza del hipocampo. No obstante, algunos estudios han puesto en duda este concepto, sugiriendo que algunas memorias nunca se independizan totalmente del hipocampo. Aunque es mucho lo que se conoce sobre la consolidación de la MLP, la particularidad “largo” es una característica exclusiva: su persistencia en el tiempo. La mayor parte de la información adquirida está obligada a desaparecer o puede dejar una huella indetectable. Por lo tanto, la persistencia de la memoria está centrada en la comprensión de la neurobiología del aprendizaje y la memoria.

Desde hace solo poco tiempo algunos investigadores han comenzado a interesarse por la neocorteza como la región del almacenamiento permanente de la memoria. Dado que la memoria puede persistir durante períodos largos o aún toda la vida, para que esa persistencia se produzca se requieren cambios moleculares y celulares. Por lo tanto, ¿cuáles son los mecanismos que intervienen en la persistencia de la memoria? ¿Está involucrado el hipocampo en este proceso? Hasta el momento, la comunidad científica ha dado pocas respuestas a estas preguntas. Recientemente, dicen los autores, “hemos demostrado que los sucesos moleculares finales que tienen lugar en el hipocampo 12 horas después de la adquisición de una evitación inhibitoria (EI), a los 7-14 días afecta la persistencia de la memoria, sin afectar la expresión de la memoria a los 2 días del entrenamiento.” “También  hemos comprobado que varias proteínas del hipocampo aumentan su nivel 18-24 horas luego del entrenamiento, lo cual se correlaciona con la hipótesis que en el hipocampo existe un mecanismo celular final post entrenamiento para la persistencia de la memoria. Esta fase de consolidación tardía depende de una síntesis proteica de novo, un aumento de la expresión de la neurotrofina BDNF, y es controlada por el aporte dopaminérgico del área ventral tegmental, como se demostró en un pequeño ensayo. En ese ensayo, los autores revisaron la información relacionada con la persistencia molecular, hallando nueva evidencia del papel de esas marcas en el mantenimiento de las huellas de la MLP.

Para que persistan las huellas de la memoria por evitación inhibitoria se requiere la síntesis proteica en la región CA1 del hipocampo de la rata

Es ampliamente aceptado que la consolidación celular para varias tareas de aprendizaje depende de la síntesis de proteínas de novo en el hipocampo. En este estudio, la MLP para diferentes tareas a realizar por varias especies, incluyendo un estudio de aprendizaje de la EI en roedores, requiere la síntesis de novo en al menos 2 períodos de tiempo después del entrenamiento: uno, en el momento de la adquisición y el otro, 3 a 6 horas después. La existencia de oleadas adicionales de síntesis proteica, aunque postulada hace muchos años, solo ha sido descrita recientemente. Se cree que la consolidación celular de la MLP implica el crecimiento de nuevas conexiones y el reagrupamiento de las ya existentes. El entrenamiento induce cambios en varias proteínas, 24 horas después de la adquisición. Estos resultados generan el interrogante de si en la consolidación de esta tarea hubo más oleadas de síntesis proteica. En otras palabras: ¿la consolidación celular finalizó o continuó 6-8 horas después del entrenamiento? Con el fin de contestar esta pregunta, los autores hicieron algunos experimentos inyectando un inhibidor de la síntesis proteica, la anisomicina (ANI), ampliamente utilizada para bloquear la formación de la memoria en una gran variedad de modelos de comportamiento. “Hemos comprobado que la síntesis proteica de novo en la región CA1 del hipocampo dorsal, 12 horas después del entrenamiento, fue muy importante para la persistencia de la memoria, pero no para la formación de la memoria. En este sentido, hemos confirmado y ampliado los datos, mostrando que la infusión de ANI en la región CA1 del hipocampo de la rata, a las 12, 18 o 24 horas posteriores al  entrenamiento por EI impidió la formación y la expresión de la memoria al momento de analizar las ratas, a las 48 horas de la adquisición.” Estos hallazgos coinciden con el concepto actual en cuanto a que la memoria para tareas de una sola opción se consolidaría por completo (consolidación celular) alrededor de las 12 horas posteriores al entrenamiento. Por lo tanto, al cabo de 12 a 24 horas después del entrenamiento no sería necesaria la síntesis proteica de novo para que se produzca la consolidación celular de la MLP  EI. Por otro lado, en un experimento independiente realizado 1 semana después, la inhibición de la síntesis proteica realizada 12 horas después del entrenamiento causó una amnesia grave. Otro grupo de animales inyectados con ANI y estudiados 4 días después del entrenamiento no alcanzó  significancia, pero mostraron una tendencia a tener latencias un escalón más abajo que los animales control.  Por el contrario, el análisis de los efectos de una infusión de ANI, 12-24 horas después del entrenamiento, realizado 7 días después, no evidenció cambios en los puntajes de la retención. Estos resultados indican que para que haya persistencia de la expresión de la memoria de la EI se requiere la síntesis proteica en la región CA1 del hipocampo, en un tiempo de ventada restringido a las 12 horas posteriores al entrenamiento.

La consolidación de la huella de memoria de la EI expresada 7 días después del entrenamiento podría ser independiente de la consolidación de la expresión a las 24-48 horas. Si éste fuera el caso, dicen los autores, la inyección de ANI, 12 horas después de la adquisición, bloquearía la consolidación de una memoria que es expresada a los 7 días pero no a las 24 horas. Si esto es verdad, acotan, habría un tratamiento para evitar la consolidación de la memoria expresada a las 24 horas posteriores al entrenamiento pero conservaría la memoria intacta 7 días más tarde. La infusión intrahipocampo de ANI previa al entrenamiento que causó amnesia 24 horas después del entrenamiento también afectó la memoria en el análisis de las ratas realizado a los 7 días, indicando que el proceso de consolidación que tiene lugar durante las primeras horas, se hace necesario más tarde para la expresión de la memoria de de la EI.

Varias proteínas del hipocampo aumentaron su nivel 24 horas después del entrenamiento con EI

Dado que el bloqueo de la síntesis proteica 12 horas después del entrenamiento afecta la expresión de la memoria a los 7 días, tendría que haber cambios en la expresión de las proteínas, más allá de las primeras horas posteriores a la adquisición. Los resultados previos obtenidos por los autores en su laboratorio mostraron el aumento del nivel de varias proteínas a las 12 horas del entrenamiento y para establecer más precisamente cuándo se hacen evidentes esos cambios, decidieron realizar un análisis de la evolución en el tiempo. Se hizo mediante el inmunoblot a los homogeneizados de hipocampo total de ratas naïve, shockeadas o entrenadas, en ausencia de plataforma; este procedimiento conductual no aumentó las latencias de menor nivel y no provocó miedo en el contexto del aprendizaje. 

Dado que no se puede diseñar un control comparativo para esta tarea, se consideró que el grupo shockeado es un control adecuado para el análisis bioquímico. Los animales entrenados o shockeados fueron sacrificados a las 1,3,9,12,18,24,30 o 72 horas posteriores a la manipulación de la conducta. La reactividad inmunológica para c-Fos, un gen inmediato bien conocido, alcanzó un aumento significativo del 62% respecto del grupo naïve, 24 horas después del entrenamiento. También hubo un aumento evidente a las 18 horas. Asimismo, otro gen temprano inmediato, el Homer 1a, mostró mayores niveles de proteína (34%) a las 24 horas pos entrenamiento, pero también se hizo evidente en otros momentos.

Los niveles totales de 3 proteincinasas (PK: del inglés proteinkinasa), 2 de las cuales son activadas enseguida del entrenamiento EI, aumentaron 24 horas después de la adquisición de la EI. La subunidad a de la PKII dependiente de la calmodulina cálcica mostró mayor inmuno reactividad, tanto a las 8 como a las 24 horas después del entrenamiento, comparada con la de los animales naïve. El miembro ERK-2 de la familia MAPK (PK activada por mitógenos) aumentó significativamente su nivel, a las 18–24 horas (32–39% respecto de los animales naïve). Se detectó un 28% de aumento de la Akt/PKBcinasa (familia de proteínas también denominadas PK B), 24 horas después de la EI. A las 3 horas se observó un aumento aparentemente no significativo de la inmuno reactividad de la Akt/PK B. En todos los experimentos, el grupo shockeado no se diferenció de manera importante del grupo naïve. El aumento de las PK implica un aumento de la actividad. Aunque no se han medido las formas fosforiladas, se considera que el aumento del nivel total de proteínas implica un aumento de ambas formas, la fosforilada y la no fosforilada, y por lo tanto, esos aumentos en los niveles de las proteínas podrían representar una actividad aumentada.

Estos resultados sugieren que el aprendizaje EI se asocia con cambios tardíos en el hipocampo, alcanzando un valor pico alrededor de las 12 horas después del entrenamiento para luego retornar a los niveles basales. Según los autores, es aquí donde surgen las siguientes preguntas: ¿Si la consolidación finalizó unas pocas horas antes, porqué existiría la expresión proteica 24 horas después del entrenamiento y cómo influye en la memoria? ¿El aumento de los niveles proteicos está relacionado con el mecanismo del hipocampo que interviene en la persistencia de la memoria antes descrito?

La infusión intrahipocampo de anisomicina 12 horas después del entrenamiento, anula los cambios del c-Fos y el Homer a las 24 horas

“De acuerdo a nuestra hipótesis,” dicen los autores, “existe una oleada de síntesis proteica alrededor de las 12 horas posteriores al entrenamiento, por un mecanismo dependiente del hipocampo para la persistencia de la memoria. Si los cambios proteicos observados a las 18-24 horas son parte de este proceso, entonces la inyección de ANI a las 12 horas debería evitarlos.” Para comprobar esta hipótesis, los animales recibieron una infusión de ANI (grupo Ani) o del vehículo (grupo Veh) en la región CA1 del hipocampo dorsal 12 horas después del entrenamiento EI y fueron sacrificados 12 horas después, para hacer el análisis por inmunoblot del homogeneizado de hipocampo total. Esta dosis de inhibidor es capaz de producir el efecto amnésico observado a los 7 días. Por otra parte, además de los grupos naïve (N) y shockeado (Shock), para descartar que cualquier disminución en los niveles de la proteína causada por ANI se debiera a un cambio en el recambio proteico, se hizo un mayor control y se inyectó el inhibidor a un grupo de ratas naïve, las que fueron sacrificadas 12 horas más tarde (grupo N Ani). En el grupo Veh se detectó un aumento de la inmuno reactividad de c-Fos, a las 24 h del entrenamiento, el que quedó completamente abolido luego  de la inyección de ANI. En cambio, no hubo diferencias en los niveles de c-Fos entre los grupos N Ani y N. Por lo tanto, la disminución de los niveles de c-Fos detectada en el grupo Ani no fue causada por una disminución del nivel basal de la expresión proteica. No se observó un aumento significativo de los niveles de c-Fos en el grupo Shock.

El mismo patrón se observó para los niveles de Homer 1a en el hipocampo, La inyección de ANI, 12 horas después del entrenamiento, bloqueó por completo el aumento detectado a las 24 horas en el grupo Veh. Todos los animales control mostraron una cantidad significativamente menor de Homer 1a que los animales Veh, sin diferencias con el grupo N Ani. Aunque el aumento de los niveles de Akt en los animales Veh no alcanzaron significancia al ser comparados con los del grupo N, la infusión de ANI produjo una disminución significativa, a las 24 horas post entrenamiento con respecto al grupo Veh. Por otra parte, ANI no bloqueó el entrenamiento inducido por EI.

Además de los cambios tardíos inducidos por el entrenamiento EI en las proteínas sinápticas del hipocampo, cada vez hay más evidencia que indica que los cambios retardados o prolongados en los factores de transcripción, los genes tempranos inmediatos, la PK, las proteinfosfatasas y los receptores de los neurotransmisores, se asocian con la memoria persistente.

Perseverancia para desentrañar la persistencia de la memoria

El primer estudio que demostró la necesidad de un proceso duradero en el hipocampo para que se produzca la consolidación de la MLP fue el de Rideder y col. en 1.999. Ellos demostraron que para que tenga lugar la consolidación/almacenamiento de la información espacial durante los 5 días posteriores al entrenamiento de ratas en un laberinto, es necesaria la intervención del hipocampo. En este contexto, hay mucha evidencia que demuestra que hay diferentes tipos de receptores de glutamato que se someten a cambios a largo plazo y/o son necesarios en el hipocampo, en una etapa muy tardía después del entrenamiento. Utilizando el condicionamiento clásico en conejos, se comprobó que el primer par de horas después de someter a las ratas a diferentes tareas de aprendizaje, hubo un aumento selectivo y específico regional en los receptores AMPA del hipocampo. Tanto los autores como otros investigadores confirmaron y ampliaron estos hallazgos usando el entrenamiento EI en ratas. Los autores también hallaron cambios 2 días después en la región CA3 y la  circunvolución dentada, los cuales no se produjeron 7 días después del entrenamiento. Es posible que estos cambios a largo plazo faciliten la reactivación del circuito del hipocampo y pueden entrenar estructuras fuera del hipocampo, en las cuales finalmente se almacenan las huellas de la memoria.

Los receptores de glutamato metabotrópicos también son sometidos a modificaciones a largo plazo después del entrenamiento. En otros estudios, utilizando anticuerpos específicos, se halló un aumento precoz y transitorio de la expresión del receptor mGluR 5 en la región CA3 del hipocampo. Esto coincidió con un aumento del mGluR 5 en la región CA1 y la circunvolución dentada, 10 días después del entrenamiento, indicando que estos cambios a largo plazo en la expresión de AMPA y mGluR del hipocampo podrían intervenir en la fase de mantenimiento de la consolidación de la memoria.

Se ha demostrado que durante los primeros días posteriores al aprendizaje espacial o del condicionamiento del miedo contextual, es necesaria la reactivación de los receptores de glutamato del tipo NMDA en la región CA1 del hipocampo. Estos hallazgos han abierto un nuevo canal de investigación sobre los mecanismos de almacenamiento de la memoria. También se ha comprobado que la reactivación de la CaMKIIa en el procencéfalo o cerebro anterior durante la primera, y no la segunda o tercera semanas, después del entrenamiento del ratón en un condicionamiento de miedo contextual para la consolidación de la memoria remota. Otro estudio demostró que la expresión de PKMf, una isoforma atípica de PK, durante una ventana de tiempo estrecha después del entrenamiento, favoreció la persistencia de la memoria en un condicionamiento de evitación del olor en la Drosophila. Más recientemente, se comprobó que la inhibición de PKMf en el hipocampo o la neocorteza obstaculizó tanto la memoria reciente como la remota, indicando que la PKMf persistente puede representar un papel en el mantenimiento de la memoria remota. Estos hallazgos indican que la actividad persistente de NMDAr, CaMKIIa y PKMf para los primeros días posteriores al entrenamiento es importante para establecer la memoria remota. Asimismo, varios grupos han comprobado que la memoria se acompaña de modificaciones tardías de los niveles y/o actividad de las proteínas C/EBP y el anticuerpo CREB, dos factores de transcripción, el BDNF (factor neurotrófico derivado del cerebro) y otras proteínas sinápticas. Se destaca que los experimentos piloto realizados por los autores revelan que la memoria persistente se asocia con un aumento retardado de 2 proteínas importantes relacionadas con la plasticidad en el hipocampo (datos no publicados): Arc, un gen temprano inmediato activado por la exploración espacial y comprometido en el tráfico de AMPAr y, la PKMf

Conclusiones

Los hallazgos en la fase crítica de la persistencia del almacenamiento de la MLP abren un canal potencial de investigación sobre los mecanismos de la consolidación final de la memoria en el hipocampo. Por ejemplo, ¿Es este proceso el final de la fase de consolidación celular? ¿Es esta fase necesariamente un enlace entre la consolidación celular y la consolidación de sistema? Independientemente de la participación del hipocampo en el almacenamiento o la recuperación de muchas memorias, la síntesis proteica tardía y la fase dependiente de BDNF o no es el final de la historia. En otras palabras, dicen los autores, es posible que esta ventana crítica de 12 horas después de la adquisición solo sea la primera de una serie de rondas recurrentes de la síntesis proteica en el hipocampo y las áreas extrahipocampo necesarias para el almacenamiento persistente de algunas señales potenciales destacadas aquí pueden ayudar a comprender el mantenimiento del almacenamiento de la MLP.

♦ Traducción y resumen objetivo: Dra. Marta Papponetti. Esp. Medicina Interna

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