Un equipo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Ottawa revela los fundamentos de la formación de la memoria motora

Un equipo de investigación dirigido por el Dr. Simon Chen ofrece nuevas y valiosas perspectivas sobre un misterio permanente de la neurociencia

16.09.2022 - Canadá

Cuando se aprende a montar en bicicleta o a tocar un instrumento musical, los movimientos físicos son, en el mejor de los casos, descoordinados. Pero con el tiempo y muchas repeticiones, las neuronas motoras del cerebro crean una especie de taquigrafía entre la mente y los músculos. Los movimientos asociados acaban por estar tan arraigados que saltar en una bicicleta o tocar una escala parece casi automático.

¿Cuáles son los fundamentos celulares de este proceso de aprendizaje motor? En un estudio publicado esta semana en Neuron, un equipo de investigación dirigido por el Dr. Simon Chen, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Ottawa, ofrece nuevas y valiosas perspectivas sobre este misterio permanente de la neurociencia.

Su laboratorio se centra en desentrañar cómo se codifican y almacenan los recuerdos en el cerebro, en particular con el aprendizaje motor, el complejo proceso de cómo nos movemos y coordinamos los músculos de nuestro cuerpo. Con este último estudio, el equipo de investigación del Dr. Chen exploró los mecanismos que intervienen en la regulación del proceso de adquisición y consolidación de la memoria motora durante la práctica repetitiva.

El Dr. Chen, titular de la Cátedra de Investigación de Canadá sobre Circuitos Neuronales y Comportamiento, dice que los hallazgos del estudio podrían ser útiles para desarrollar objetivos terapéuticos que puedan ayudar a recuperar las funciones motoras en pacientes que sufren la enfermedad de Parkinson, un accidente cerebrovascular o una lesión cerebral. Esto es significativo porque restaurar la coordinación motora gruesa y recuperar los movimientos perdidos es una batalla muy difícil para estos individuos.

"Si entendemos cómo se regula la adquisición de habilidades motoras en el cerebro, tal vez algún día podamos ayudar a los pacientes con ictus o enfermedad de Parkinson a recuperar esas habilidades durante el proceso de rehabilitación", afirma.

El estudio se centró en ratones, no en personas. Pero como los científicos creen que los mecanismos de formación de la memoria son muy similares en los ratones y en los seres humanos, es probable que los hallazgos tengan una profunda relevancia para las personas.

¿Cómo funcionaron los experimentos?

Al restringir los movimientos de la cabeza de los ratones en el escenario de imágenes, que permite a los científicos sondear el cerebro con una resolución unicelular, el equipo entrenó a los animales para que realizaran una tarea motora específica: Alcanzar y agarrar una bolita de comida de un soporte de entrega motorizado.

Al principio, los ratones con la cabeza inmovilizada se mostraban tímidos y torpes a la hora de coger la bolita. Los investigadores realizaron un análisis detallado de los movimientos de los animales utilizando DeepLabCut, una caja de herramientas de software de aprendizaje profundo que combina el vídeo de captura de movimiento con la inteligencia artificial. Descubrieron que, con la repetición y el tiempo, los ratones formaban movimientos estereotipados de alcance y agarre que les permitían acabar asegurando la comida con facilidad.

El equipo quería ver la activación de las neuronas específicas de estos movimientos de alcance y agarre, y ver la formación de vías sinápticas en el cerebro mientras se producían.

"Pudimos observar los cambios cerebrales mientras los ratones aprendían esta tarea", dice el Dr. Chen, profesor asociado del departamento de Medicina Celular y Molecular de la Facultad de Medicina.

Mediante el uso de imágenes de dos fotones, un tipo de microscopía que permite visualizar el tejido vivo a escala micrométrica, su equipo pudo ver la reorganización de las espinas dendríticas entre las neuronas excitadoras de la corteza motora primaria mientras los ratones fijados a la cabeza realizaban estas acciones de agarre de bolitas a lo largo del tiempo. Las espinas dendríticas -estructuras neuronales en las sinapsis que se asemejan a piruletas con palos delgados y cimas en forma de burbuja- son clave para la formación y el almacenamiento de la memoria.

Al acercarse al nivel celular, los investigadores descubrieron que el aprendizaje motor induce selectivamente la expresión de un "factor de transcripción" dependiente de la actividad llamado NPAS4 en la corteza motora primaria.

Lo que estos novedosos hallazgos revelan, dice el Dr. Chen, es que la expresión de este factor de transcripción desencadena la aparición de un conjunto de neuronas inhibidoras asociadas al aprendizaje que modulan la inhibición en la corteza motora primaria. Eso regula el proceso de reorganización de las espinas dendríticas entre las neuronas excitadoras durante el aprendizaje.

Esencialmente, NPAS4 regula los cambios genéticos en las neuronas inhibidoras que controlan la actividad de estas neuronas, de forma similar a la forma en que un regulador de volumen controla los altavoces de un ordenador portátil. El Dr. Chen dice que estos hallazgos "también demuestran que la inducción de un factor de transcripción específico de las neuronas inhibitorias actúa como una característica definitoria que subyace a la formación de conjuntos neuronales comprometidos con un acto de aprendizaje".

En otras palabras, la repetición de los movimientos a lo largo del tiempo cambió el funcionamiento interno de la corteza motora primaria de los animales, la parte del cerebro que sólo poseen los mamíferos y que controla los movimientos complejos.

El equipo descubrió que la expresión del factor de transcripción NPAS4 en las neuronas inhibidoras es clave para que el cerebro reduzca las opciones y forme las memorias motoras más sólidas para movimientos específicos, y debe reexpresarse constantemente para que esas memorias se alojen y refinen en el cerebro mientras se realizan prácticas repetitivas.

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