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Potenciación a largo plazo: qué es y cómo explica el aprendizaje

Es de sentido común que cuanto más se estudia más se tiene retenida la información en el cerebro. Es por este motivo que, más que estudiar de golpe el día antes de un examen, se recomienda dedicarle una media hora al día durante las dos semanas anteriores.

Todo esto es ya algo obvio, sin embargo, pese a que es de sentido común, lo que no sabemos tan bien es cuál es su explicación fisiológica. ¿Qué cambios se producen en el cerebro para que consigamos retener la información?

Pues bien, el proceso bioquímico a nivel cerebral que está detrás del aprendizaje y la memoria se llama potenciación a largo plazo, y es un aspecto muy interesante de nuestro cerebro que vamos a aprender a continuación.

¿Qué es la potenciación a largo plazo?

La potenciación a largo plazo es un proceso que ocurre en la membrana de la neurona que explica cómo es posible asentar los aprendizajes y cuáles son sus bases fisiológicas. El proceso se da cuando se repasa una información varias veces, haciendo que la neurona se sensibilice y que se vuelva más reactiva ante potenciales de acción más bajos, permitiendo recordar más fácilmente aquello que se haya aprendido.

El concepto es bastante complejo, y antes de explicarlo con más profundidad se hace necesario repasar sus antecedentes históricos para, posteriormente, mirar más en detalle cómo se da el proceso en sí.

Antecedentes históricos

Hace años, los científicos buscaban el lugar exacto del cerebro donde ocurrían las funciones cerebrales. Más tarde, descubrieron que diversas partes pueden participar en una misma función. Se sabe que en el aprendizaje y la memoria son diversas las estructuras que están implicadas: hipocampo, amígdala, cerebral y los ganglios basales

En 1970 un científico estadounidense llamado Eric Kandel estudió la babosa de mar Aplysia, en la cual pudo descubrir algunos fenómenos bioquímicos que ocurren en las neuronas mientras se aprende. Puede parecer sorprendente que se relacione una babosa con el cerebro humano, pese a que queda claro que sus cerebros no son iguales, siendo la babosa un invertebrado. Sin embargo, pese las diferencias entre los sistemas nerviosos de vertebrados e invertebrados, la química cerebral de la neurona, sus potenciales de acción y neurotransmisores son los mismos.

Antes de los estudios en Aplysia, un científico llamado Donald Hebb propuso, en 1949, una hipótesis para entender el cambio a nivel celular que sucede durante el aprendizaje. Sugirió que cuando la aprendizaje se da ocurre un cambio metabólico en las neuronas. Sin emabrgo, no fue hasta 1973 cuando Terje Lømo, fisiólogo noruego, estudiando el hipocampo de ratas descubrió un fenómeno que no se esperaba: la potenciación a largo plazo, siendo ese cambio metabólico neuronal sospechado por Hebb.

¿Cómo se da la potenciación a largo plazo?

El cerebro humano tiene la capacidad de almacenar información, tanto por breves períodos de tiempo, en la memoria a corto plazo, o de por vida, en la memoria a largo plazo. Esto se puede comprobar, de forma práctica, cuando estudiamos para un examen. Mientras estamos estudiando, activamos varias vías en el interior de nuestro cerebro, vías con las cuales conseguimos almacenar, por medio de la repetición, la información que hemos repasado. Cuando más repasada quede la información, más retenida estará.

La memoria a largo plazo ha sido asociada fundamentalmente con una estructura, cuya forma se asemeja a la de un caballito de mar: el hipocampo. Esta estructura cerebral se encuentra en el lóbulo temporal medial de ambos hemisferios, y es la que se encarga de la coordinación del almacenamiento de la información y la recuperación de los recuerdos. Las investigaciones han puesto el foco de atención en esta parte del cerebro, cuando han tratado estudiar el proceso del aprendizaje, especialmente varias estructuras del mismo: el giro dentado, la CA1 y la CA3.

El proceso de memorización comienza cuando la información llega al giro dentado desde la corteza entorrinal. Los axones de las neuronas granulares proyectan sus axones a las células del área CA3, que a su vez proyectan la información a través de las denominadas colaterales de Schaffer a las células del campo CA1 y, desde allí, a través del subículo retorna la información a la corteza entorrinal.

Todo este proceso es la potenciación a largo plazo, que se trata del proceso celular y molecular de la memoria. Esta potenciación a largo plazo implica la mejora duradera de la transmisión de señales entre dos neuronas tras una estimulación repetida. Este proceso ha sido mayormente estudiado en las sinapsis entre las colaterales de Schaffer y las neuronas del campo CA1.

Observando las sinapsis entre las células de CA3 y CA1 se revelan múltiples estructuras que se relacionan con la potenciación a largo plazo. En la neurona postsináptica se pueden encontrar receptores NMDA y AMPA que, normalmente, se encuentran juntos. Estos receptores se activan después de que el neurotransmisor se fusione con la membrana celular y sea liberado en el espacio entre neuronas.

El receptor AMPA es permeable a los iones de sodio, es decir, deja que entren al interior de la neurona. El receptor NMDA también es permeable a los iones de sodio, pero también lo es para los iones de calcio. Los receptores NMDA se encuentran bloqueados por un ión de magnesio, el cual impide la entrada de los iones de sodio y calcio a la célula.

Cuando un potencial de acción viaja a lo largo del axón presináptico de las colaterales de Schaffer se produce la liberación de glutamato, neurotransmisor el cual se fusiona con los receptores AMPA y NMDA. Cuando ese estímulo electroquímico es de baja potencia, la cantidad de glutamato que se libera es baja.

Los receptores AMPA se abren y una pequeña cantidad de sodio entra en la neurona, haciendo que se produzca una pequeña despolarización, esto es, aumenta la carga eléctrica de la neurona. El glutamato también se une a los receptores NMDA, pero ningún ión será capaz de traspasarlo debido a que el ión de magnesio sigue bloqueándolo.

Cuando la señal recibida es pequeña, la respuesta postsináptica no es suficiente para lograr la salida del ión magnesio, por lo que no se da la potenciación a largo plazo. Esto es una situación que se puede dar, por ejemplo, cuando se ha estado estudiando por muy poco tiempo. No se han activado una alta frecuencia de potenciales de acción al haberse estudiado tan poco, con lo cual no se ha inducido a este proceso de retención del conocimiento.

En cambio, cuando se da una alta frecuencia de potenciales de acción, viajando por los axones colaterales de Schaffer, se libera una mayor cantidad de glutamato en el espacio sináptico. Esto sí que se puede conseguir si se estudia más, dado que se fomenta una mayor frecuencia en los potenciales de acción. El glutamato se unirá a los receptores de AMPA, haciendo que entre una mayor cantidad de sodio al interior de la neurona gracias a que el canal permanece abierto durante más tiempo.

Que entre más sodio al interior de la célula hace que se dé la despolarización de la misma, consiguiendo repeler el ión de magnesio del receptor NMDA gracias a un proceso llamado repulsión electrostática. Llegado este punto, el receptor NMDA activado por glutamato permite la entrada de sodio y calcio por su poro. Los receptores NMDA son llamados receptores voltaje y ligando dependientes debido a que necesitan una excitación presináptica y postsináptica para la apertura del canal: la fusión del glutamato presináptico liberado y la depolarización de la célula postsináptica.

Fortalecimiento de las sinapsis

La potenciación a largo plazo es un proceso que implica que se fortalezca la conexión entre dos neuronas. La introducción de calcio al interior de la neurona postsináptica actúa como un segundo mensajero, activando múltiples procesos intracelulares. El incremento de calcio lleva a dos procesos que intervienen en la potenciación a largo plazo: la fase temprana y la fase tardía.

Fase temprana

Durante la fase temprana el calcio se fusiona con sus proteínas de fusión, causando la inserción de nuevos canales de AMPA en la membrana celular de la sinapsis entre las células del campo CA1 y CA3.

Estos nuevos receptores AMPA estaban almacenados en el interior de la neurona, y solo se liberan gracias al influjo de calcio que procede del receptor NMDA. Gracias a esto, los canales AMPA estarán disponibles en futuras conexiones sinápticas. Los cambios inducidos durante la fase temprana solo duran unas pocas horas.

Fase tardía

Durante la fase tardía, se da una entrada mayor de calcio, lo cual provoca que se activen factores de transcripción genética que hacen que se sinteticen nuevas proteínas. Algunas de estas proteínas acabarán siendo nuevos receptores AMPA, que serán insertados en la membrana neuronal.

Además, se da un incremento en la síntesis de proteínas de factor de crecimiento, que llevan al crecimiento de nuevas sinapsis y son la base de la plasticidad sináptica. Así, de esta manera, el cerebro cambia conforme se va a prendiendo.

Estas sinapsis se forman entre las neuronas de CA1 y CA3, permitiendo una conexión más fuerte. Los cambios de la fase tardía son más duraderos, yendo desde las 24 horas a toda la vida.

Cabe destacar que la potenciación a largo plazo no es un mecanismo, sino un incremento en la actividad entre dos neuronas, el cual resulta en un aumento de los canales AMPA de las neuronas que permitirán que, incluso con bajas frecuencias de potenciales de acción, se cree una despolarización celular cuando, antes, era necesario que se diera una alta frecuencia de potenciales para lograr tal objetivo.

Todo este proceso es el fundamento de la memoria. No obstante, cabe destacar que el hipocampo no es la única región en donde se da la potenciación a largo plazo. El procesamiento de la memoria ocurre en otras muchas regiones cerebrales, incluyendo la corteza cerebral. Sea como sea, se debe tener claro el hecho de que cuanto más se estudia más vías se activan por todo el cerebro, haciendo que el aprendizaje se torne en algo más consolidado.

Referencias bibliográficas:

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  • Agranoff BW, Uhler M (1994): Learning and memory. In: Basic Neurochemistry, Molecular, Cellular and Medical aspects, 5th Ed., ed. By GJ Siegel. Raven Press, N. York, 1025-1045.
  • Paradiso, Michael A.; Bear, Mark F.; Connors, Barry W. (2007). Neuroscience: Exploring the Brain. Hagerstwon, MD: Lippincott Williams & Wilkins.