Biología del Aprendizaje

8 Mecanismos de aprendizaje

Existen cuatro mecanismos clave, relacionados con la neuroplasticidad, que apoyan el aprendizaje en el cerebro: la sinaptogénesis, la potenciación a largo plazo, la mielinización y el sueño.

Sinaptogénesis

La sinaptogénesis[1] se refiere a la realización de conexiones entre las células cerebrales (es decir, las neuronas). Las conexiones entre las neuronas se llaman sinapsis. Las neuronas que se activan juntas (es decir, coactivadas) forman y fortalecen sus conexiones (es decir, sinapsis). «La plasticidad Hebbiana [2] se produce durante la formación de la memoria entre las células del engrama a nivel de la sinapsis» (Kim, Choi y Kaang, 2018). «La potenciación y la depresión de las sinapsis de las cuales destacaremos la potenciación son actores clave en la mediación de la creación de trazas de memoria o engramas» (Takeuchi, Duszkiewicz y Morris, 2014).

 

Figure 8.1. An action potential is generated and travels down the axon to the axon terminal, where it is released and provokes a neurotransmitter release that acts on the post-synaptic end. (Source: Wikipedia)

Potenciación a largo plazo

La potenciación a largo plazo (PLP) se refiere a hacer conexiones más permanentes. El aprendizaje se refleja en los cambios en las conexiones entre nuestras células cerebrales, pero no todas las conexiones son iguales. Algunas conexiones son rápidas y temporales y apoyan la MCP. Otras son más duraderas y pueden durar horas, días, o incluso toda la vida (es decir, la MLP). Para un aprendizaje duradero, queremos centrarnos en cómo se pueden hacer las conexiones a largo plazo. Se cree que un ingrediente biológico funcional clave que subyace en la formación de conexiones duraderas es la potenciación a largo plazo o PLP[3], que coincide con el proceso de síntesis o creación de proteínas[4]. Las investigaciones sugieren que la PLP puede ser desencadenada por un patrón específico de activación muy parecido a una receta (Fields, 2005). A partir de estudios en animales y de estudios que involucraron células cerebrales y preparaciones de laboratorio de rebanadas de cerebro, se descubrió un patrón: 3 x 2. Tres «activaciones» separadas por dos intervalos de 10 minutos. Lo que era crítico es que los intervalos eran de al menos 10 minutos. A los 10 minutos, se cree que el cerebro trata cada activación como una experiencia única. Y cuanto más frecuentemente experimentamos algo, mayor es la prioridad para su consolidación. Se encontró, por tanto, que la receta mínima para PLP y MLP era 3 x 2, tres activaciones de las mismas redes cerebrales (memorias) separadas por 10 minutos. Este conocimiento es lo que subyace a la estrategia de enseñanza del Aprendizaje Espacial (Kelley y Whatson, 2013).

 

Figure 8.2. Long-term potentiation
(1) A synapse is repeatedly stimulated. «A synapse is repeatedly stimulated, sending neurotransmitters from the axon terminal (left) across the synapse to the dendrites of a second neuron (right).» (2) More receptors are found on the dendrite. (3) More neurotransmitters are produced. (4) A stronger link between neurons is established. «Final stage of long term potentiation. Two nerves (left and right) are linked with a strong signal which works quickly. Scientists believe long term potentiation is the primary way that the brain learns.» (Source: Wikipedia, Creator: Tomwsulcer)

La mielinización se refiere a hacer conexiones más eficientes. «Se aprecia bien que la mielinización aumenta la velocidad de conducción a través de los axones individuales» (Pan y col., 2020). Aunque el papel que desempeña la mielina en el aprendizaje no está nada claro, una línea de pensamiento es que la mielinización nos permite hacer que nuestras redes (esquema) frecuentemente utilizadas sean eficientes de modo que utilicen menos recursos. Las primeras investigaciones en biología revelaron que la vaina de mielina se forma alrededor del axón para aislarlo, de modo que se pierde menos energía cuando se activa. Las hipótesis recientes afirman que «la mielinización podría estar reforzando proyecciones específicas de manera similar a la plasticidad Hebbiana, facilitando la comunicación entre los conjuntos neuronales distribuidos espacialmente» (Pan y col, 2020).

 

FIgure 8.2. Myelinated neurons are faster than unmyelinated neurons because of Saltatory motion (Source: Wikipedia, Creator: Dr. Jana)

Sueño

Por último, investigaciones más recientes han revelado el papel fundamental que desempeña el sueño en el aprendizaje. Un importante descubrimiento demostró un mecanismo durante el sueño en el que los patrones de actividad de disparo de las neuronas relacionados con lo aprendido durante el día se «repitieron» en las áreas cerebrales del hipocampo y el neocórtex. Se ha demostrado que esta repetición juega un papel importante en la consolidación de la memoria (Ji y Wilson, 2007; Breton y Robertson, 2013). La repetición del hipocampo también puede ocurrir durante los períodos de descanso de la vigilia y la evidencia muestra que una mayor repetición puede incluso predecir el rendimiento de la memoria (Schapiro y col. 2018). Estos hallazgos muestran la importancia de una buena salud del sueño para la consolidación de la memoria y el aprendizaje. Además, si bien no necesariamente tenemos que dormir durante el día, sí necesitamos darle un descanso a nuestro cerebro, ya que los descansos brindan la oportunidad de repetir y consolidar la información de las experiencias recientes.

Referencias

  • Goelet, P., Castellucci, V. F., Schacher, S., y Kandel, E. R. (1986). The long and the short of long–term memory—a molecular framework. Nature, 322(6078), 419.
  • Sutton, M. A., y Schuman, E. M. (2006). Dendritic protein synthesis, synaptic plasticity, and memory. Cell, 127(1), 49-58.
  • *Farely, P. (2020 February 10). Long-Term Learning Requires New Nerve Insulation. Retrieved from https://www.ucsf.edu/news/2020/02/416621/long-term-learning-requires-new-nerve-insulation
Sinaptogénesis
  • Kim, J. I., Choi, D. I., y Kaang, B. K. (2018). Strengthened connections between engrams encode specific memories. BMB reports, 51(8), 369.
  • Takeuchi, T., Duszkiewicz, A. J., y Morris, R. G. (2014). The synaptic plasticity and memory hypothesis: encoding, storage and persistence. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 369(1633), 20130288.
Potenciación a largo plazo
  • Fields, R. D. (2005). Making memories stick. Scientific American, 292(2), 74-81.
  • Kelley, P., y Whatson, T. (2013). Making long-term memories in minutes: a spaced learning pattern from memory research in education. Frontiers in human neuroscience, 7, 589.
  • Davis, R. L., y Zhong, Y. (2017). The biology of forgetting—a perspective. Neuron, 95(3), 490-503.
Mielinización
  • Pan, S., Mayoral, S. R., Choi, H. S., Chan, J. R., y Kheirbek, M. A. (2020). Preservation of a remote fear memory requires new myelin formation. Nature neuroscience, 23(4), 487-499.
  • Farely, P. (2020 February 10). Long-Term Learning Requires New Nerve Insulation. Retrieved from https://www.ucsf.edu/news/2020/02/416621/long-term-learning-requires-new-nerve-insulation
Sueño
  • Ji, D., y Wilson, M. A. (2007). Coordinated memory replay in the visual cortex and hippocampus during sleep. Nature neuroscience, 10(1), 100-107.
  • Schapiro, A. C., McDevitt, E. A., Rogers, T. T., Mednick, S. C., y Norman, K. A. (2018). Human hippocampal replay during rest prioritizes weakly learned information and predicts memory performance. Nature communications, 9(1), 1-11.

  1. La sinaptogénesis es, junto con el recableado axonal el axón es la proyección del cuerpo de una neurona que permite la formación de conexiones con otras neuronas en las redes y circuitos del cerebro una forma de neuroplasticidad estructural, en contraste con la plasticidad funcional
  2. El comportamiento Hebbiano de una sinapsis o aprendizaje Hebbiano (como el psicólogo Donald Hebb describió en los años 40) se refiere al hecho de que la entrada (estímulo) y la salida (respuesta) de una sinapsis (es decir, en la neurona presináptica y la neurona postsináptica) tienen salidas altamente correlacionadas. Esto significa que son altamente dependientes del tiempo, altamente locales (es decir, en una sola sinapsis o conexión) y fuertemente interactivas, lo que contribuye a aumentar la eficacia de la sinapsis. De hecho, el aprendizaje del Hebbiano se utiliza ampliamente hoy en día para diseñar algoritmos de aprendizaje automático.
  3. La potenciación a largo plazo (PLP) es una propiedad biológica de las sinapsis que se cree que subyace a la formación de memorias y aprendizaje a largo plazo. Es una forma de neuroplasticidad funcional en la que las conexiones se refuerzan con el uso. En resumen, la PLP es una respuesta a estímulos repetidos. Cuando dos neuronas se conectan y se activan repetidamente juntas (por ejemplo, el "cruce" repetido de una sinapsis de una neurona a la otra), la PLP se activa para aumentar la eficacia de la conexión, permitiendo que las neuronas formen un circuito (es decir, las neuronas se co-activan más fácilmente).
  4. Las evidencias de las investigaciones indican que la escala temporal de aparición del fenómeno de la PLP coincide con la escala temporal de la expresión de los genes para sintetizar proteínas (elementos principales que se utilizan como unidades de acumulación o para realizar funciones en el organismo). Esto sugiere que la PLP (y el aprendizaje) puede estar apoyada y limitada por una disponibilidad biológica de recursos para construir proteínas.

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