¿Cómo Aprende el Cerebro Humano?

Nuestro cerebro aprende a partir de las experiencias: enfrentarnos a nuestro entorno altera nuestra conducta a través de la modificación de nuestro sistema nervioso (Carlson, 2010). A pesar de que aún estamos lejos de conocer con exactitud y a todos los niveles cada uno de los mecanismos neuroquímicos y físicos que participan en este proceso, las diferentes evidencias experimentales han acumulado un conocimiento bastante amplio sobre los mecanismos implicados en el proceso de aprendizaje.

El cerebro cambia a lo largo de toda nuestra vida. Las neuronas que lo componen pueden modificarse como consecuencia de diferentes causas: el desarrollo, el padecimiento de algún tipo de lesión cerebral, la exposición a la estimulación ambiental y fundamentalmente, como consecuencia del aprendizaje (BNA, 2003).

cómo aprende el cerebro

Características básicas del aprendizaje cerebral

El aprendizaje es un proceso esencial que, junto con la memoria, supone el medio principal que los seres vivos tenemos de adaptarnos a las recurrentes modificaciones de nuestro ambiente.

Empleamos el término aprendizaje para referirnos al hecho de que la experiencia produce cambios en nuestro sistema nervioso (SN), que pueden ser duraderos e implican una modificación a nivel comportamental (Morgado, 2005).

Las experiencias en sí mismas cambian el modo en que nuestro organismo percibe, actúa, piensa o planifica, a través de la modificación del SN, alterando los circuitos que participan en estos procesos (Carlson, 2010).

De este modo, al mismo tiempo que nuestro organismo interacciona con el medio, las conexiones sinápticas de nuestro cerebro sufrirán cambios, podrán establecerse nuevas conexiones, fortalecerse aquellas que sean útiles en nuestro repertorio conductual o desaparecer otras que no sean útiles o eficientes (BNA, 2003).

Por lo tanto, si el aprendizaje tiene que ver con los cambios que se producen en nuestro sistema nervioso como consecuencia de nuestras experiencias, cuando estos cambios se consolidan podremos hablar de recuerdos. (Carlson, 2010). La memoria es un fenómeno inferido a partir de esos cambios que ocurren en el SN y da sentido de continuidad a nuestras vidas (Morgado, 2005).

Debido a las múltiples formas de aprendizaje y sistemas de memoria, actualmente se piensa que el proceso de aprendizaje y la formación de nuevas memorias depende de la plasticidad sináptica, fenómeno a través del cual las neuronas alteran su capacidad de comunicación entre ellas (BNA, 2003).

Tipos de aprendizaje cerebral

neurociencia cognitiva

Antes de describir los mecanismos cerebrales implicados en el proceso de aprendizaje, será necesario caracterizar las diferentes formas de aprendizaje, dentro de las cuales podemos diferenciar al menos, dos tipos básicos de aprendizaje: aprendizaje no asociativo y aprendizaje asociativo.

-Aprendizaje no asociativo

El aprendizaje de tipo no asociativo, se refiere al cambio de la respuesta funcional que se produce en respuesta a la presentación de un único estímulo. El aprendizaje no asociativo a su vez puede ser de dos tipos: habituación o sensibilización (Bear et al., 2008).

Habituación

La presentación repetida de un estímulo produce un descenso de la intensidad de la respuesta a este (Bear et al., 2008).

Ejemplo: si viviera en una casa con un solo teléfono. Cuando suena, corre a contestar la llamada, sin embargo, cada vez que lo hace, la llamada es para otra persona. Conforme este hecho se produzca de forma repetida, dejará de reaccionar al teléfono e incluso podrá dejar de oírlo (Bear et al., 2008).

Sensibilización

La presentación de un estímulo nuevo o intenso produce una respuesta con una magnitud incrementada a todos los estímulos siguientes.

Ejemplo: suponga que está paseando por una acera de una calle bien iluminada de noche, y que de repente se produce un apagón. Cualquier estímulo nuevo o extraño que aparezca, como oír pasos o ver los faros de un coche acercándose, lo alterará. El estímulo sensitivo (apagón) dio lugar a una sensibilización, que intensifica su respuesta a todos los estímulos siguientes (Bear et al., 2008).

-Aprendizaje asociativo

Este tipo de aprendizaje se basa en el establecimiento de asociaciones entre diferentes estímulos o sucesos. Dentro del aprendizaje asociativo podemos distinguir dos subtipos: condicionamiento clásico y condicionamiento instrumental (Bear et al., 2008).

Condicionamiento clásico

En este tipo de aprendizaje se producirá la asociación entre un estímulo que provoca una respuesta (respuesta no condicionada o respuesta incondicionada, RNC/RI), estímulo no condicionado o incondicionado (ENC/EI), y otro estímulo que normalmente no provoca la respuesta, estímulo condicionado (EC), y que requerirá de un entrenamiento.

La presentación emparejada del EC y del EI, implicará la presentación de la respuesta aprendida (respuesta condicionada, RC) al estímulo entrenado. Solo se producirá el condicionamiento si los estímulos se presentan de forma simultánea o si el EC antecede al ENC en un intervalo de tiempo muy corto (Bear et al., 2008).

Ejemplo: un estímulo ENC/EC, en el caso de los perros, puede ser un trozo de carne. Ante la visualización de la carne los perros emitirán una respuesta de salivación (RNC/RI). Sin embargo, si a un perro le presentamos como estímulo el sonido de una campana no presentará ninguna respuesta en particular. Si presentamos ambos estímulos de forma simultánea o primero el sonido de la campana (EC) y luego la carne, tras un entrenamiento repetido. El sonido será capaz de provocar la respuesta de salivación, sin estar presenta la carne. Se ha producido una asociación entre la comida y la carne. El sonido (EC) es capaz de provocar una respuesta condicionada (RC), la salivación.

Condicionamiento instrumental

En este tipo de aprendizaje, se aprende a asociar una respuesta (acto motor) a un estímulo significativo (una recompensa). Para que el condicionamiento instrumental se produzca, es necesario que el estímulo o recompensa se produzca después de la respuesta del individuo.

Además, la motivación también será un factor importante. Por otro lado, también se producirá un condicionamiento de tipo instrumental si en vez de una recompensa, el individuo obtiene una desaparición de un estímulo de valencia aversiva (Bear et al., 2008).

Ejemplo: si introducimos a una rata hambrienta en una caja con una palanca que le proporcionará comida, al explorar la caja la rata pulsará la palanca (acto motor) y observará que aparece comida (recompensa). Después de que realice esta acción más veces, la rata asociará la presión de la palanca con la obtención de comida. Por lo tanto, pulsará la palanca hasta que se encuentre saciada (Bear et al., 2008).

Neuroquímica del aprendizaje cerebral

Potenciación y depresión

Como referenciamos anteriormente, se piensa que el aprendizaje y la memoria depende de procesos de plasticidad sináptica.

Así, diferentes estudios han demostrado que los procesos de aprendizaje (entre los que se encuentran los descritos anteriormente) y memoria, dan lugar a cambios en la conectividad sináptica que alteran la fuerza y capacidad de comunicación entre las neuronas.

Estos cambios en la conectividad serian fruto de mecanismos moleculares y celulares que regulan esta actividad como consecuencia de la excitación e inhibición neuronal que regula la plasticidad estructural.

Así, una de las características principales de las sinapsis excitatorias e inhibitorias es el alto nivel de variabilidad en su morfología y estabilidad que se produce como consecuencia de su actividad y del paso del tiempo (Caroni et al., 2012).

Los científicos especializados en este área, se interesan concretamente por los cambios que se dan a largo plazo en la fuerza sináptica, como consecuencia de los procesos de potenciación a largo plazo (PLP)- y de depresión a largo plazo (DLP).

  • Potenciación a largo plazo: se produce un incremento de la fuerza sináptica como consecuencia de la estimulación o activación repetida de la conexión sináptica. Por lo tanto, aparecerá una respuesta consistente ante la presencia del estímulo, como en el caso de la sensibilización.
  • Depresión a largo plazo (DLP): se produce un incremento de la fuerza sináptica como consecuencia de la ausencia de la activación repetida de la conexión sináptica. Por lo tanto, la magnitud de la respuesta al estímulo será meno o incluso nula. Podríamos decir que ocurre un proceso de habituación.

Habituación y sensibilización

Los primeros estudios experimentales interesados en identificar los cambios neuronales que subyacen al aprendizaje y la memoria, emplearon formas simples de aprendizaje como la habituación, la sensibilización o el condicionamiento clásico.

En este panorama, el científico estadounidense Eric Kandel centró sus estudios en el reflejo de retracción branquial de la Aplysia Califórnica, partiendo de la premisa de que las estructuras neuronales son análogas entre estos y los sistemas superiores.

Estos estudios proporcionaron una primera evidencia de que la memoria y el aprendizaje están mediados por la plasticidad de las conexiones sinápticas entre las neuronas que participan en el comportamiento, revelando que el aprendizaje conduce a cambios estructurales profundos que acompañan al almacenamiento de la memoria (Mayford et al., 2012).

Kandel, al igual que Ramón y Cajal, concluye que las conexiones sinápticas no son inmutables y que los cambios estructurales y/o anatómicos constituyen la base del almacenamiento de la memoria (Mayford et al., 2012).

En el contexto de los mecanismos neuroquímicos del aprendizaje, tendrán lugar diferentes eventos tanto para la habituación como para la sensibilización.

Habituación

Como mencionamos anteriormente, la habituación consiste en el descenso de la intensidad de la respuesta, consecuencia de la presentación repetida de un estímulo. Cuando un estímulo es percibido por la neurona sensitiva, se genera un potencial excitatorio que permite una respuesta eficaz.

A medida que el estímulo se repite, el potencial excitatorio disminuye progresivamente, hasta que finalmente no logra sobrepasar el umbral de descarga mínimo necesario para generar un potencial de acción postsináptica, el cual hace posible la contracción del músculo.

La razón por la cual este potencial excitatorio disminuye se debe a que, al repetirse continuamente el estímulo, se produce una salida cada vez mayor de iones de potasio (K+), lo cual a su vez provoca el cierre de los canales de calcio (Ca2+), lo cual impide la entrada de iones de calcio. Por lo tanto, este proceso se produce por un descenso en la liberación de glutamato (Mayford et al, 2012).

Sensibilización

La sensibilización es una forma de aprendizaje más compleja que la habituación, en el que un estímulo intenso produce una respuesta exagerada a todos los estímulos siguientes, incluso a los que anteriormente provocaban poca o ninguna respuesta.

A pesar de ser una forma básica de aprendizaje, presenta distintas etapas, a corto y largo plazo. Mientras que la sensibilización a corto plazo implicaría cambios sinápticos rápidos y dinámicos, la sensibilización a largo plazo conduciría a cambios duraderos y estables, consecuencia de cambios estructurales profundos.

En este sentido, ante la presencia del estímulo sensibilizador (intenso o nuevo) se producirá una liberación de glutamato, cuando la cantidad liberada por el terminal presináptico es excesiva, activará los receptores AMPA postsinápticos.

Este hecho permitirá la entrada de Na2+ en la neurona postsináptica permitiendo su despolarización así como la liberación de los receptores NMDA, los cuales hasta el momento se encontraban bloqueados por los iones de Mg2+, ambos eventos permitirán una entrada masiva de Ca2+ en la neurona postsináptica.

Si el estímulo sensibilizador se presenta de forma continuada provocará un aumento persistente de la entrada de Ca2+, lo cual activará a diferentes quinasas, dando lugar a la puesta en marcha de la expresión temprana de factores genéticos y a la síntesis de proteínas. Todo ello, dará lugar a modificaciones estructurales a largo plazo.

Por tanto, la diferencia fundamental entre ambos procesos se encuentra en la síntesis de proteínas. En el primero de ellos, en la sensibilización a corto plazo, no es necesaria su acción para que se produzca.

Por su parte, en la sensibilización a largo plazo es imprescindible que se produzca una síntesis de proteínas para que se produzcan cambios duraderos y estables que tienen como objetivo la formación y el mantenimiento de nuevos aprendizajes.

Consolidación del aprendizaje en el cerebro

El aprendizaje y la memoria son fruto de cambios estructurales que se producen como consecuencia de la plasticidad sináptica. Para que estos cambios estructurales se produzcan, es necesario que tenga lugar un mantenimiento del proceso de potenciación a largo plazo, o de consolidación de la fuerza sináptica.

Al igual que en la inducción de la sensibilización a largo plazo, es necesario tanto la síntesis de proteínas como la expresión de factores genéticos que darán lugar a cambios estructurales. Para que se produzca estos eventos debe tener lugar una serie de factores moleculares:

  • El aumento persistente de la entrada de Ca2+ en el terminal activará a diferentes quinasas, dando lugar a la puesta en marcha de la expresión temprana de factores genéticos y a la síntesis de proteínas que darán lugar a la inducción de nuevos receptores AMPA que se insertarán en la membrana y mantendrán la PLP.

Estos eventos moleculares tendrán como resultado la alteración del tamaño y la forma dendrítica, pudiéndose dar aumentos o descensos en el número de espinas dendríticas de ciertas zonas.

Además de estos cambios localizados, las investigaciones actuales han demostrado que también se producen cambios a nivel global, ya que el cerebro actúa como un sistema unificado.

Por lo tanto, son estos cambios estructurales la base de aprendizaje, además, cuando estos cambios tienden a perdurar en el tiempo, estaremos hablando de memoria.

Referencias

  1. (2008). En B. N. association, & BNA, Neurociencias. La ciencia del cerebro. Una introducción para jóvenes estudiantes. Liverpool.
  2. Bear, M., Connors, B., & Paradiso, M. (2008). Neuroscience: exploring the brain. Philadelphia: Lippincott Wiliams & Wilkings.
  3. Caroni, P., Donato, F., & Muller, D. (2012). Structural plasticity upon learning: regulation and fuctions. Nature, 13, 478-490.
  4. Fundamentos de fisiología de la conducta. (2010). En N. Carlson. Madrid: Pearson.
  5. Mayford, M., Siegelbaum, S. A., & Kandel, E. R. (s.f.). Synapses and Memory Storage.
  6. Morgado, L. (2005). Psicobiología del apnredizaje y la memoria: fundamentos y avances recientes. Rev Neurol, 40(5), 258-297.

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