Las nuevas experiencias mejoran el aprendizaje al restablecer el circuito cerebral clave

Crédito: CC0 Public Domain

Un estudio de aprendizaje espacial en ratones muestra que la exposición a nuevas experiencias amortigua las representaciones establecidas en el hipocampo y la corteza prefrontal del cerebro, lo que permite que los ratones aprendan nuevas estrategias de navegación. El estudio, publicado en Nature, fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud.

«La capacidad de aprender de manera flexible en situaciones nuevas hace posible adaptarse a un mundo en constante cambio», señaló Joshua A. Gordon, MD, Ph.D., autor principal del estudio y director del Instituto Nacional de Salud Mental, parte de NIH. «Comprender la base neuronal de este aprendizaje flexible en los animales nos da una idea de cómo este tipo de aprendizaje puede verse afectado en los humanos».

Dr. Gordon cosupervisó el proyecto de investigación con Joseph A. Gogos, MD, Ph.D., y Alexander Z. Harris, MD, Ph.D., ambos de la Universidad de Columbia, ciudad de Nueva York.

Siempre que nos encontramos con nueva información, esa información debe consolidarse en una memoria estable y duradera para que podamos recordarla más tarde. Un mecanismo clave en este proceso de consolidación de la memoria es la potenciación a largo plazo, que es un fortalecimiento persistente de las conexiones neuronales basado en patrones de actividad recientes. Aunque este fortalecimiento de las conexiones neuronales puede ser persistente, no puede ser permanente, o no podríamos actualizar las representaciones de la memoria para acomodar nueva información. En otras palabras, nuestra capacidad para recordar nuevas experiencias y aprender de ellas depende de una codificación de la información que sea duradera y flexible.

Para comprender los mecanismos neuronales específicos que hacen posible esta plasticidad, el equipo de investigación, dirigido por Alan J. Park, Ph.D., de Columbia, examinó el aprendizaje espacial en ratones.

El aprendizaje espacial depende de un circuito clave entre el hipocampo ventral (una estructura ubicada en el medio del cerebro) y el corteza prefrontal medial (situada justo detrás de la frente). La conectividad entre estas estructuras cerebrales se fortalece a lo largo del aprendizaje espacial. Sin embargo, si la conectividad se mantiene al máximo, perjudica la adaptación posterior a las nuevas tareas y reglas. Los investigadores plantearon la hipótesis de que la exposición a una nueva experiencia puede servir como un desencadenante ambiental que amortigua la conectividad hipocampal-prefrontal establecida, lo que permite un aprendizaje espacial flexible.

En la primera tarea, los investigadores entrenaron ratones para navegar por un laberinto en un cierta manera de recibir una recompensa. Luego, a algunos de los ratones se les permitió explorar un espacio que no habían visto antes, mientras que otros exploraron un espacio familiar. Luego, los ratones se involucraron en una segunda tarea espacial, que requería que cambiaran a una nueva estrategia de navegación para obtener una recompensa.

Como era de esperar, todos los ratones favorecieron su estrategia de navegación original al principio. Pero los ratones que habían explorado un nuevo espacio superaron gradualmente este sesgo y aprendieron con éxito la nueva estrategia de navegación aproximadamente a la mitad de la sesión de entrenamiento de 40 pruebas. Cuando los investigadores volvieron a probar un subconjunto de ratones en la primera tarea, descubrieron que los ratones expuestos a la novedad podían volver a la estrategia original, lo que indica que actualizaron y eligieron su estrategia de acuerdo con las demandas de la tarea.

Hallazgos adicionales mostraron que los efectos de la novedad se extendieron más allá de los nuevos espacios: encontrar nuevos ratones antes de la segunda tarea también mejoró el aprendizaje de la nueva estrategia de recompensa.

Los cambios en la actividad cerebral a lo largo del entrenamiento revelaron los mecanismos neuronales que impulsan este aprendizaje mejorado por la novedad. En los roedores, existe un patrón de activación bien definido en el hipocampo conocido como onda theta, que se cree que desempeña un papel central en el aprendizaje y la memoria. Cuando Park y sus coautores examinaron las grabaciones del hipocampo ventral, descubrieron que la onda theta se hizo más fuerte durante la exploración de la nueva arena y la hora que siguió; la onda theta disminuyó a medida que los ratones se familiarizaban con la arena durante los siguientes dos días. Los investigadores encontraron que la exposición a la novedad también interrumpió la codificación de la estrategia de navegación original, reorganizando el patrón de activación de las neuronas individuales en el hipocampo ventral para sincronizarlas con la onda theta.

Al mismo tiempo, las neuronas en la corteza prefrontal medial mostró una disminución de la sincronía de ondas theta y se debilitaron las correlaciones entre la actividad del hipocampo y la actividad prefrontal. Estos y otros hallazgos sugieren que la exposición a la novedad amortiguó las conexiones sinápticas entre el hipocampo ventral y la corteza prefrontal medial, restableciendo el circuito para permitir el fortalecimiento posterior de la conectividad asociada con el aprendizaje.

Al desencadenar este restablecimiento, la novedad parece facilitar la actualización de la estrategia en respuesta a la estructura de recompensa específica de la tarea. Los análisis de aprendizaje automático indicaron que, después de la exposición a la novedad, las neuronas del hipocampo ventral cambiaron la codificación de una estrategia que predecía la recompensa en la primera tarea a una que predecía la recompensa en la segunda tarea. Luego, la información específica de la tarea se transmitió a las neuronas prefrontales mediales, que actualizaron la codificación en consecuencia.

A nivel químico, el neurotransmisor dopamina actúa como un mediador clave de esta plasticidad. Varios experimentos demostraron que la activación de los receptores de dopamina D1 en el hipocampo ventral condujo a efectos similares a los de la novedad, incluida la conectividad hipocampal-prefrontal amortiguada y un aprendizaje mejorado. El bloqueo de los receptores D1 evitó estos efectos inducidos por la novedad.

Juntos, estos hallazgos arrojan luz sobre algunos de los mecanismos cerebrales que desempeñan un papel en la codificación flexible de la información.

«Nuestro estudio apunta a la novedad como una forma de activar el reinicio de circuitos que facilita el aprendizaje espacial en ratones», dijo Park. «El siguiente paso es aprovechar estos hallazgos y explorar si la novedad juega un papel similar en la memoria y el aprendizaje humanos».

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Cómo los cerebros de los ratones reorganizan los recuerdos antiguos cuando se establecen nuevos Más información: El restablecimiento del circuito prefrontal del hipocampo facilita el aprendizaje, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03272-1 , dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03272-1 Información de la revista: Nature

Proporcionada por los Institutos Nacionales de Salud Cita: Las nuevas experiencias mejoran el aprendizaje al restablecer el circuito cerebral clave (24 de febrero de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-02-resetting-key-brain-circuit.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.