Las ondas que se originan en el cuerpo estríado (rojo) se sincronizan con las de la corteza prefrontal (azul) cuando se aprenden categorías. Imagen: Jose-Luis Olivares. Fuente: MIT.
La mente humana puede absorber rápidamente y analizar nueva información a medida que salta de un pensamiento a otro. Estos estados cerebrales rápidamente cambiantes pueden ser codificados por la sincronización de las ondas cerebrales en las diferentes regiones del cerebro, según un nuevo estudio de neurocientíficos del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts, Boston, EE.UU.)
Los investigadores descubrieron que cuando los monos aprenden a categorizar diferentes patrones de puntos, dos áreas del cerebro implicadas en el aprendizaje -la corteza prefrontal y el cuerpo estriado- sincronizan sus ondas cerebrales para formar nuevos circuitos de comunicación.
"Estamos viendo pruebas directas de las interacciones entre estos dos sistemas durante el aprendizaje que no se han visto antes. El aprendizaje de categorías da como resultado nuevos circuitos funcionales entre estas dos áreas, y estos circuitos están basados en el ritmo, lo cual es clave porque es un concepto relativamente nuevo en la neurociencia de sistemas", explica en la nota de prensa del MIT Earl Miller, profesor de neurociencia y autor principal del estudio, que aparece en la edición del 12 de junio de la revista Neuron.
Hay millones de neuronas en el cerebro, y cada una produce sus propias señales eléctricas. Estas señales combinadas generan oscilaciones conocidas como ondas cerebrales, que pueden ser medidas por electroencefalografía (EEG). El equipo de investigación se centró en los patrones de EEG de la corteza prefrontal-la sede del sistema de control ejecutivo del cerebro- y el cuerpo estriado, que controla la formación de hábitos.
El fenómeno de la sincronización de las ondas cerebrales probablemente precede a los cambios en las sinapsis, o conexiones entre las neuronas, que están considerados la base del aprendizaje y de la formación de la memoria a largo plazo, explica Miller. Este proceso, conocido como plasticidad sináptica, consume demasiado tiempo para ser el origen de la flexibilidad de la mente humana, considera.
"Si se pueden cambiar los pensamientos en un momento, no puede ser que para ello haya que estar haciendo nuevas conexiones y descomponiéndolas constantemente. La plasticidad no se da en ese tipo de escala de tiempo", señala Miller, que es miembro del Instituto Picower del MIT para el Aprendizaje y la Memoria. "Tiene que haber alguna manera de establecer dinámicamente circuitos para corresponder a los pensamientos que estamos teniendo en ese momento, y si luego cambiamos nuestra mente un momento después, esos circuitos se rompan de alguna manera. Creemos que las ondas cerebrales sincronizadas pueden ser la manera en que lo hace el cerebro".
Tarareo conjunto
El laboratorio de Miller había demostrado anteriormente que durante el aprendizaje de categorías, las neuronas del cuerpo estriado se activan prontamente, y a continuación se produce una activación más lenta de las neuronas en la corteza prefrontal. "El cuerpo estriado se entera de cosas muy simples muy rápidamente, y luego lo que elabora entrena a la corteza prefrontal para que entienda poco a poco el cuadro general", explica Miller. "El cuerpo estriado se entera de cuáles son las piezas del rompecabezas, y la corteza prefrontal las coloca."
En el nuevo estudio, los investigadores querían investigar si este patrón de actividad refleja en realidad una comunicación entre la corteza prefrontal y el cuerpo estriado, o si cada región trabaja de forma independiente. Para ello, midieron las señales de EEG de monos que aprendían a asignar patrones de puntos a dos categorías distintas.
Al principio, a los animales se les mostraban dos ejemplos diferentes, o "ejemplares", de cada categoría. Después de cada ronda, se duplicaba el número de ejemplares. En las primeras etapas, los animales podrían simplemente memorizar qué ejemplares pertenecían a qué categoría. Sin embargo, con el tiempo el número de ejemplares se volvía demasiado grande para que los animales los memorizaran todos, y comenzaron a aprender los rasgos generales que caracterizaban cada categoría.
Al final del experimento, cuando los investigadores mostraban ya 256 nuevos ejemplares, los monos fueron capaces de clasificar todos ellos correctamente.
A medida que los monos pasaban de la memorización ritual al aprendizaje de las categorías, los investigadores vieron un cambio correspondiente en los patrones de EEG. Las ondas cerebrales conocidas como "bandas" beta, producidas de forma independiente por la corteza prefrontal y el cuerpo estriado, comenzaron a sincronizarse entre sí. Esto indica que se estaba formando un circuito de comunicación entre las dos regiones, afirma Miller.
"Hay algún mecanismo desconocido que permite que se formen estos patrones de resonancia, y los circuitos empiecen a tararear a la vez", describe. "Ese tarareo puede entonces favorecer posteriores cambios de plasticidad a largo plazo en el cerebro, de modo que puedan formarse circuitos anatómicos reales. Pero la primera cosa que sucede es que empiezan a tararear a la vez".
Un poco más tarde, cuando el animal determinaba ya con precisión las dos categorías, se formaban dos circuitos separados entre el cuerpo estriado y la corteza prefrontal, cada uno correspondiente a una de las categorías.
"Este es el primer trabajo que proporciona datos que sugieren que el acoplamiento en la banda beta entre la corteza prefrontal y el estriado pueden jugar un papel clave en la enseñanza de categorías. Además de revelar un nuevo mecanismo implicado en el aprendizaje de categorías, los resultados también contribuyen a una mejor comprensión de la importancia de las oscilaciones en la banda beta dentro del cerebro", explica Andreas Engel, profesor de fisiología en el Centro Médico Universitario Hamburgo-Eppendorf en Alemania.
Los investigadores descubrieron que cuando los monos aprenden a categorizar diferentes patrones de puntos, dos áreas del cerebro implicadas en el aprendizaje -la corteza prefrontal y el cuerpo estriado- sincronizan sus ondas cerebrales para formar nuevos circuitos de comunicación.
"Estamos viendo pruebas directas de las interacciones entre estos dos sistemas durante el aprendizaje que no se han visto antes. El aprendizaje de categorías da como resultado nuevos circuitos funcionales entre estas dos áreas, y estos circuitos están basados en el ritmo, lo cual es clave porque es un concepto relativamente nuevo en la neurociencia de sistemas", explica en la nota de prensa del MIT Earl Miller, profesor de neurociencia y autor principal del estudio, que aparece en la edición del 12 de junio de la revista Neuron.
Hay millones de neuronas en el cerebro, y cada una produce sus propias señales eléctricas. Estas señales combinadas generan oscilaciones conocidas como ondas cerebrales, que pueden ser medidas por electroencefalografía (EEG). El equipo de investigación se centró en los patrones de EEG de la corteza prefrontal-la sede del sistema de control ejecutivo del cerebro- y el cuerpo estriado, que controla la formación de hábitos.
El fenómeno de la sincronización de las ondas cerebrales probablemente precede a los cambios en las sinapsis, o conexiones entre las neuronas, que están considerados la base del aprendizaje y de la formación de la memoria a largo plazo, explica Miller. Este proceso, conocido como plasticidad sináptica, consume demasiado tiempo para ser el origen de la flexibilidad de la mente humana, considera.
"Si se pueden cambiar los pensamientos en un momento, no puede ser que para ello haya que estar haciendo nuevas conexiones y descomponiéndolas constantemente. La plasticidad no se da en ese tipo de escala de tiempo", señala Miller, que es miembro del Instituto Picower del MIT para el Aprendizaje y la Memoria. "Tiene que haber alguna manera de establecer dinámicamente circuitos para corresponder a los pensamientos que estamos teniendo en ese momento, y si luego cambiamos nuestra mente un momento después, esos circuitos se rompan de alguna manera. Creemos que las ondas cerebrales sincronizadas pueden ser la manera en que lo hace el cerebro".
Tarareo conjunto
El laboratorio de Miller había demostrado anteriormente que durante el aprendizaje de categorías, las neuronas del cuerpo estriado se activan prontamente, y a continuación se produce una activación más lenta de las neuronas en la corteza prefrontal. "El cuerpo estriado se entera de cosas muy simples muy rápidamente, y luego lo que elabora entrena a la corteza prefrontal para que entienda poco a poco el cuadro general", explica Miller. "El cuerpo estriado se entera de cuáles son las piezas del rompecabezas, y la corteza prefrontal las coloca."
En el nuevo estudio, los investigadores querían investigar si este patrón de actividad refleja en realidad una comunicación entre la corteza prefrontal y el cuerpo estriado, o si cada región trabaja de forma independiente. Para ello, midieron las señales de EEG de monos que aprendían a asignar patrones de puntos a dos categorías distintas.
Al principio, a los animales se les mostraban dos ejemplos diferentes, o "ejemplares", de cada categoría. Después de cada ronda, se duplicaba el número de ejemplares. En las primeras etapas, los animales podrían simplemente memorizar qué ejemplares pertenecían a qué categoría. Sin embargo, con el tiempo el número de ejemplares se volvía demasiado grande para que los animales los memorizaran todos, y comenzaron a aprender los rasgos generales que caracterizaban cada categoría.
Al final del experimento, cuando los investigadores mostraban ya 256 nuevos ejemplares, los monos fueron capaces de clasificar todos ellos correctamente.
A medida que los monos pasaban de la memorización ritual al aprendizaje de las categorías, los investigadores vieron un cambio correspondiente en los patrones de EEG. Las ondas cerebrales conocidas como "bandas" beta, producidas de forma independiente por la corteza prefrontal y el cuerpo estriado, comenzaron a sincronizarse entre sí. Esto indica que se estaba formando un circuito de comunicación entre las dos regiones, afirma Miller.
"Hay algún mecanismo desconocido que permite que se formen estos patrones de resonancia, y los circuitos empiecen a tararear a la vez", describe. "Ese tarareo puede entonces favorecer posteriores cambios de plasticidad a largo plazo en el cerebro, de modo que puedan formarse circuitos anatómicos reales. Pero la primera cosa que sucede es que empiezan a tararear a la vez".
Un poco más tarde, cuando el animal determinaba ya con precisión las dos categorías, se formaban dos circuitos separados entre el cuerpo estriado y la corteza prefrontal, cada uno correspondiente a una de las categorías.
"Este es el primer trabajo que proporciona datos que sugieren que el acoplamiento en la banda beta entre la corteza prefrontal y el estriado pueden jugar un papel clave en la enseñanza de categorías. Además de revelar un nuevo mecanismo implicado en el aprendizaje de categorías, los resultados también contribuyen a una mejor comprensión de la importancia de las oscilaciones en la banda beta dentro del cerebro", explica Andreas Engel, profesor de fisiología en el Centro Médico Universitario Hamburgo-Eppendorf en Alemania.
Expansión del conocimiento
Estudios previos han mostrado que durante tareas cognitivamente exigentes hay una mayor sincronía entre la corteza frontal y la corteza visual, pero el laboratorio de Miller es el primero en mostrar patrones específicos de sincronía vinculados a pensamientos específicos.
Los investigadores también han mostrado que una vez que la corteza prefrontal aprende las categorías y las envía al cuerpo estriado, se someten a nuevas modificaciones a medida que llega nueva información, lo que permite un aprendizaje más amplio. Esta iteración se puede producir una y otra vez.
"Así es como se consigue el carácter abierto del pensamiento humano. Se mantiene la expansión del conocimiento", explica Miller. "El aprendizaje de categorías de la corteza prefrontal no es el final del juego".
Ahora, los investigadores están estudiando cómo aprende el cerebro categorías más abstractas, y cómo la actividad en el estriado y la corteza prefrontal podría reflejar ese tipo de abstracción.
Otro estudio de Miller y otro científico de MIT, publicado en 2009, analizó si en las búsquedas visuales el cerebro observa la escena como un todo, o va pasando por los distintos puntos en busca de su objetivo. Su resultado es que es más probable esto segundo, y que el ritmo de los saltos de punto a punto (de cara a cara, por ejemplo) está determinado por las ondas de actividad cerebral.
Las ondas cerebrales y la memoria
La sincronización de ondas entre distintas partes del cerebro está relacionada también con otras funciones. Las ondas de la corteza prefrontal se sincronizan con las de la corteza parietal posterior, formando un circuito de memoria, para recordar lo que acaba de ver el individuo, según otra investigación del Instituto Nacional de Salud Mental estadounidense, NIH.
En la misma línea, científicos del hospital Cedars-Sinai Medical Center y del Instituto de Tecnología de California, Caltech (ambos en California, EE.UU.) publicaron en 2010 que cuando las neuronas relacionadas con la memoria se activan en sincronización con ciertas ondas cerebrales, las ondas theta, la imagen y los recuerdos que se forman son más fuertes que si no se produce dicha sincronización.
Estudios previos han mostrado que durante tareas cognitivamente exigentes hay una mayor sincronía entre la corteza frontal y la corteza visual, pero el laboratorio de Miller es el primero en mostrar patrones específicos de sincronía vinculados a pensamientos específicos.
Los investigadores también han mostrado que una vez que la corteza prefrontal aprende las categorías y las envía al cuerpo estriado, se someten a nuevas modificaciones a medida que llega nueva información, lo que permite un aprendizaje más amplio. Esta iteración se puede producir una y otra vez.
"Así es como se consigue el carácter abierto del pensamiento humano. Se mantiene la expansión del conocimiento", explica Miller. "El aprendizaje de categorías de la corteza prefrontal no es el final del juego".
Ahora, los investigadores están estudiando cómo aprende el cerebro categorías más abstractas, y cómo la actividad en el estriado y la corteza prefrontal podría reflejar ese tipo de abstracción.
Otro estudio de Miller y otro científico de MIT, publicado en 2009, analizó si en las búsquedas visuales el cerebro observa la escena como un todo, o va pasando por los distintos puntos en busca de su objetivo. Su resultado es que es más probable esto segundo, y que el ritmo de los saltos de punto a punto (de cara a cara, por ejemplo) está determinado por las ondas de actividad cerebral.
Las ondas cerebrales y la memoria
La sincronización de ondas entre distintas partes del cerebro está relacionada también con otras funciones. Las ondas de la corteza prefrontal se sincronizan con las de la corteza parietal posterior, formando un circuito de memoria, para recordar lo que acaba de ver el individuo, según otra investigación del Instituto Nacional de Salud Mental estadounidense, NIH.
En la misma línea, científicos del hospital Cedars-Sinai Medical Center y del Instituto de Tecnología de California, Caltech (ambos en California, EE.UU.) publicaron en 2010 que cuando las neuronas relacionadas con la memoria se activan en sincronización con ciertas ondas cerebrales, las ondas theta, la imagen y los recuerdos que se forman son más fuertes que si no se produce dicha sincronización.
Referencia bibliográfica:
Evan G. Antzoulatos, Earl K. Miller: Increases in Functional Connectivity between Prefrontal Cortex and Striatum during Category Learning. Neuron (2014). DOI: 10.1016/j.neuron.2014.05.005
Evan G. Antzoulatos, Earl K. Miller: Increases in Functional Connectivity between Prefrontal Cortex and Striatum during Category Learning. Neuron (2014). DOI: 10.1016/j.neuron.2014.05.005