VII. MEMORIA Y APRENDIZAJE

¿Qué es la mente? Esta palabra nos resulta útil, y a menudo insustituible, pero carece de un significado concreto y a menudo denota algo etéreo y no localizable. Pero, ¿podemos concebir a la mente como algo sin bases físicas?

AUNQUE cada una de las disciplinas mencionadas anteriormente ha aportado una cantidad enorme de conocimientos acerca del cerebro, el funcionamiento de "la mente" sigue siendo, en lo fundamental, misterioso y desconocido. En particular, es poco lo que estas disciplinas han aportado con respecto al conocimiento de los procesos físicos por medio de los cuales se almacena y procesa la información a nivel global (Figura 40). Sin embargo, gracias a estos estudios se ha acumulado una gran cantidad de conocimientos, que aunque por sí solos no ofrecen una explicación integral acerca de los procesos por medio de los cuales se almacena la información y se logra la evocación mental, constituyen algunas piezas del rompecabezas que tratamos de armar.

A lo largo de la historia han sido propuestas muchas teorías que intentan explicar los mecanismos de almacenamiento y remembranza. Por ejemplo, hace algunos años se propuso la teoría de que la información se almacenaba codificada en una secuencia de molécula, de una manera similar al modo en que la información genética se almacena en las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN). Para probar esta teoría se efectuaron numerosos experimentos que consistían, por ejemplo, en entrenar animales de una cierta manera y después moler sus cerebros para examinar si estas enseñanzas habían producido cambios químicos en ellos. Otros experimentos consistían en utilizar como alimento los cerebros de animales entrenados, para después tratar de encontrar ,"estadísticamente significativas" en otros animales alimentados con éstos. Pero afortunadamente la teoría tuvo que ser desechada debido a que no se encontraron evidencias que la apoyaran. (No resulta difícil imaginar las implicaciones que esta teoría hubiese tenido, en caso de aceptarse como correcta).

Figura 40. Esquema de la organización global del cerebro, el cual sugiere el flujo de información. El área izquierda representa las señales sensoriales de entrada y el área a la derecha representa a las neuronas motoras que terminan en la células musculares. Es muy poco lo que sabemos acerca de lo que sucede en la región intermedia. Esto es, la manera en que se procesa la información.

Las neuronas son células altamente especializadas y se distinguen de otros tipos de células, entre otras cosas, porque son capaces de generar y transmitir señales eléctricas. Sin embargo, son regidas por las mismas leyes de la naturaleza que las células de otros tejidos. Las señales químicas y eléctricas producidas y transmitidas por las neuronas pueden ser medidas, registradas e interpretadas, de manera que resulta natural pensar que el funcionamiento del cerebro puede estudiarse al igual que el de cualquier otra parte del cuerpo humano. Pero entonces, ¿en qué momento es que la mente adquiere capacidades como las de la imaginación, la creatividad, el aprendizaje, la memorización, etc., que parecen no estar localizadas en ninguna parte del cerebro? A falta de una mejor respuesta a estas preguntas, en muchas civilizaciones, y desde épocas muy antiguas, se ha recurrido a ideas como la de la existencia del alma. En el diccionario ¹ encontramos las siguientes definiciones:

Memoria. Potencia intelectual del alma por medio de la cual se retiene y recuerda lo pasado.

Mente. Potencia intelectual del alma.

Sin embargo, aunque atribuir estas funciones a un alma es la respuesta más fácil de formular, no tiene bases científicas y por tanto, aceptarla o rechazarla viene a ser sólo un acto de fe, y no resuelve el problema. Por otro lado, tenemos que otros seres vivos, con sistemas nerviosos menos desarrollados que el nuestro, y a los cuales generalmente no se atribuye la posesión de un alma, comparten con nosotros algunas de estas características aunque en ellos estos procesos no sean tan complejos. Por ejemplo, algunos chimpancés y gorilas han sido enseñados a utilizar el "lenguaje norteamericano de señas", comúnmente utilizado por sordomudos. Estos animales han sido capaces de adquirir un vocabulario de más de 100 palabras, y de improvisar nuevas palabras, combinaciones de las ya conocidas, para ajustarse a situaciones nuevas.

Las siguientes preguntas resumen algunas de nuestras incógnitas: ¿cómo es posible que un grupo de células cuya función primordial puede resumirse en la generación y transmisión de señales eléctricas, sea capaz de procesar y almacenar información?, ¿de qué manera puede ser útil conocer en detalle los procesos que se llevan a cabo en cada neurona para entender el funcionamiento de la mente?, ¿qué tan relevantes son los detalles estructurales del cerebro con respecto a estas funciones? Por otro lado, ¿es posible reducir cualquier función mental a una colección de señales eléctricas, reacciones químicas, etcétera? De ser así, ¿será posible la construcción de máquinas que lleven a cabo eficazmente las mismas funciones que nosotros?, y en caso negativo, ¿se deberá esto a limitaciones tecnológicas, o de carácter fundamental?

El cisma entre la física y la neurobiología que mencionamos en el capítulo anterior, contribuyó a que los físicos creyesen imposible construir una teoría del comportamiento del cerebro. Sin embargo, esta creencia se ha ido modificando gradualmente, y en los últimos 25 años los aspectos del aprendizaje y la memoria se han empezado a estudiar desde el punto de vista de la física estadística. Por otro lado, las matemáticas han tenido un desarrollo importante en años recientes, en cuanto a que han empezado a lidiar con sistemas cuyas características son no-linealidad, no-localidad, y no-estacionalidad. Los resultados obtenidos por estas nuevas teorías son prometedores, pues aunque apenas representan un entendimiento cualitativo de algunos de los procesos más elementales que tienen lugar en el cerebro, este enfoque ha dado nueva luz a muchas cosas antes desconocidas por completo y nos ha mostrado una nueva dirección par continuar la búsqueda.

MEMORIA Y APRENDIZAJE DESDE

EL PUNTO DE VISTA FISIOLÓGICO

Como ya mencionamos, ha habido algunas teorías tendientes a explicar los mecanismos de memoria y evocación mental, las cuales no han podido sobrevivir debido a que carecen de rigor científico y no se encuentran sustentadas por evidencias experimentales. Debido a lo anterior, no pasan de ser ideas interesantes. Si aceptamos que el comportamiento colectivo de las células de nuestro cerebro es el responsable de todas nuestras capacidades mentales, de nuestras emociones, gustos, intereses, habilidades, recuerdos, etc., entonces la siguiente pregunta sería, ¿cuáles son los mecanismos responsables de ellas?, y en particular, ¿cuáles son los mecanismos responsables de la memoria y del aprendizaje? Antes de intentar dar respuesta a esta última pregunta es conveniente analizar cuáles son las evidencias de tipo fisiológico con que contamos.

Es muy difícil iniciar el estudio de un problema muy complicado empezando con el problema mismo. Por lo anterior, a menudo buscamos problemas más simples de la misma naturaleza que nos puedan aportar conocimientos de carácter general. Posteriormente, tratamos de analizar cuáles de sus características son generalizables y qué esperaríamos encontrar en sistemas más complejos. Otro procedimiento consiste en separar un sistema muy complicado en subsistemas más simples y estudiar las partes por separado. En cierto tipo de problemas, otro método posible consistiría en estudiar el desarrollo de la formación de dicho sistema.

En la investigación del cerebro se han utilizado todos los recursos recién mencionados. Así, el estudio de organismos simples ha ayudado a comprender, a nivel celular, la manera en que se lleva a cabo el aprendizaje. Por otro lado, el estudio comparativo en animales de diferentes especies ha permitido observar que algunos procesos neuronales tienen características comunes a todos estos sistemas. Por ejemplo, parece ser que las neuronas y sinapsis del hombre son muy similares a las neuronas y sinapsis de organismos simples; de manera que no existen diferencias fundamentales en su estructura, su química y sus funciones. Por otro lado, no es posible diferenciar entre distintos tipos de neuronas de un mismo individuo, o aun entre neuronas pertenecientes a individuos de especies diferentes, viendo tan solo el registro de un impulso nervioso de éstas. También tenemos que la experimentación en animales desarrollados, como el chimpancé, ha sido de importancia fundamental. Por un lado, estos animales son cercanos al hombre, poseen una gran destreza manual y pueden ser entrenados en conductas de gran complejidad. Por otro lado, con ellos es posible realizar una serie de experimentos de gran importancia desde el punto de vista científico, los cuales son imposibles de efectuar en seres humanos debido a problemas éticos. Finalmente, el estudio del desarrollo fetal en animales simples y complejos ha contribuido al entendimiento de muchos mecanismos y factores que intervienen en el desarrollo del sistema nervioso.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

EN ORGANISMOS SIMPLES

Para entender los procesos de aprendizaje y memoria es muy importante encontrar a qué nivel de organización aparecen los primeros signos de aprendizaje que caracterizan el comportamiento humano. Por este motivo, es conveniente iniciar el estudio con organismos muy simples, los cuales ofrecen grandes ventajas, ya que el número reducido de sus neuronas permite relacionar la función de células específicas con ciertos comportamientos. ²

Mediante el estudio de varios tipos de invertebrados se ha encontrado que éstos son capaces de "habituarse" a situaciones. Esta es la forma más rudimentaria y simple de aprendizaje, la cual consiste en lo siguiente: si a un organismo se le presenta un estímulo desconocido, éste provocará una respuesta refleja de defensa; si el estímulo se repite en numerosas ocasiones y no viene acompañado de ninguna agresión hacia el animal, este último terminará por "habituarse", esto es, dejará de responder a su presencia con un reflejo de defensa.

Este aspecto ha sido estudiado extensivamente en un tipo de animal marino llamado Aplysia californica que tiene un sistema nervioso muy simple con sus neuronas identificables individualmente (esto se muestra en la figura 41). Estos animales fueron sometidos a una serie de estímulos táctiles, y se logró su habituación en una sesión de 10 a 15 estímulos. Sin embargo, se encontró que esta "conducta" había sido completamente olvidada al día siguiente. Por otro lado, si el habituamiento se lograba mediante cuatro sesiones de 10 estímulos cada una y separadas por varias horas, la habituación persistía durante varias semanas (¡de aquí la importancia de no estudiar únicamente antes de los exámenes!).

Al examinar las respuestas de las células nerviosas, antes y después de la habituación, se encontraron resultados realmente interesantes: se observó que la habituación, ya sea de corta o de larga duración, provoca un cambio en la efectividad de las interacciones sinápticas entre las neuronas sensoriales y las neuronas motoras. La única diferencia encontrada entre ambos tipos de habituamiento radica en el periodo durante el cual persiste la modificación mencionada. Éste es un resultado muy interesante debido a que anteriormente se pensaba que los mecanismos celulares de almacenamiento de memoria, de corta y larga duración, eran esencialmente distintos. Por otro lado, estudios similares llevados a cabo en muchos otros animales permiten concluir que este mecanismo es general.

Figura 41. Esta figura muestra a la Aplysia californica, y un mapa de su ganglio abdominal, en el cual se pueden observar neuronas identificables individualmente.

Otro tipo de estudios, basados en el análisis citológico del tejido nervioso, nos indica que un gran número de conexiones sinápticas son establecidas antes del nacimiento y el resto se establece a lo largo de la vida; siendo la edad temprana, al menos en el hombre, la época de mayor "plasticidad" o capacidad para el establecimiento y modificación de nuevas conexiones. El mecanismo de selección de conexiones incluye la formación inicial de un número excesivo de ramas axonales y dendríticas, seguidas por la posterior degeneración y reabsorción de un gran número de éstas. Esto fue descubierto en la primera década del siglo por Santiago Ramón y Cajal, quien propuso que todas las ramificaciones que no establecen conexiones correctas desaparecen. Por otro lado, se observa que el recién nacido presenta axones casi totalmente desprovistos de mielina; después del nacimiento se inicia un proceso bastante rápido de recubrimiento de los axones, el cual finaliza alrededor de los cinco años de edad.

LA MEMORIA DEL HOMBRE

A partir de su nacimiento, el hombre tiene que aprender una gran cantidad de cosas, que van desde el control voluntario de las partes de su cuerpo, hasta el desarrollo de su percepción, de la adquisición del sentido común, de la cultura, de las reglas de carácter social, moral, religioso. Todos estos, conocimientos fundamentales para su sobrevivencia.

La memoria, el aprendizaje y el olvido, son procesos acumulativos que implican un cambio conductual, o en la forma de pensar durante cierto tiempo. Sabemos muy poco acerca de los mecanismos que intervienen en el proceso de memorización a nivel global. Sin embargo, a nivel celular sabemos que la memoria está relacionada con modificaciones anatómicas y/o funcionales de las interacciones sinápticas.

La mayoría de los neurobiólogos opinan que todas las disposiciones humanas para tener sentimientos, emociones, pensamientos, etcétera, residen en los patrones de interconexión de las neuronas. Por otra parte la presencia de ciertos neuromoduladores controla y modifica la eficiencia de las sinapsis. Ahora es importante establecer un puente entre los mecanismos de almacenamiento de información a nivel celular y a nivel global en el cerebro, esto es, encontrar los mecanismos de almacenamiento a un nivel de organización más alto.

Existen evidencias de que en el hombre las funciones complejas del cerebro, como el razonamiento abstracto, tienen lugar en la corteza cerebral. Antiguamente se pensaba que el aprendizaje tenía lugar exclusivamente en regiones limitadas y específicas de la corteza. De esta manera se suponía, por ejemplo, que los lóbulos frontales tenían un papel fundamental en la memorización necesaria para resolver problemas. Sin embargo, se ha encontrado que animales, a los cuales se les ha removido quirúrgicamente la totalidad de la corteza cerebral, si bien pierden su capacidad para aprender tareas complejas, continúan manifestando cierta capacidad para ser condicionados.

El psicólogo Karl S. Lashley encontró que en los humanos todas las partes de la corteza cerebral son igualmente importantes para el aprendizaje. Al analizar el comportamiento de individuos con lesiones en esta región del cerebro, descubrió que mientras mayor es la cantidad de corteza dañada, mayor es la incapacidad posterior del individuo para memorizar y realizar tareas complejas. Esto, independientemente de la localización de la parte afectada.

Sabemos que en el cerebro existe la substitución funcional de unas neuronas por otras, a diferentes niveles. Continuamente, el número de nuestras neuronas decrece, pues como dijimos antes, las neuronas no tienen capacidad de reproducción. Sin embargo, la falta de un número pequeño de neuronas, con respecto al número total, no produce cambios apreciables en el desempeño de la memoria. ³ A otro nivel, se ha observado que la remoción quirúrgica de una parte de los lóbulos temporales, practicada para controlar la epilepsia, puede producir problemas de memoria. Cuando esta remoción se practica únicamente en el lóbulo dominante, el paciente puede tener problemas para aprender de nuevo el material verbal hasta por tres años después de la cirugía. Esto es, aunque hay pérdida de material almacenado, con el tiempo se logra la substitución funcional de unas neuronas por otras y el material puede ser reaprendido. Por supuesto, el grado de recuperación depende del tamaño del área afectada.

Los argumentos anteriores nos sugieren lo siguiente: i) el aprendizaje se lleva a cabo fundamentalmente en la corteza cerebral, y ii) el aprendizaje no es una función exclusiva ni de la corteza, ni de regiones particulares de ésta.

El cerebro está formado por un número muy grande de neuronas. Se considera que este número es del orden de 10¹¹ células, y que en promedio cada una de ellas recibe o envía información de otras 10⁴ células. De manera que el número total de conexiones en el cerebro deber ser del orden de 10¹⁵. Se cree que dentro de esta maraña de conexiones, los caminos principales de comunicación se encuentran predeterminados por la herencia, de manera que las extensiones neuronales crecen durante la gestación hasta aquellos lugares donde posteriormente serán requeridas. Sin embargo el resto de las conexiones deben ser adquiridas después del nacimiento, de manera que el tamaño y estructura de esta red cambia radicalmente, y de manera continua, durante la vida de los individuos. Esta programación, que se consigue después del nacimiento, está relacionada con el aprendizaje y una parte importante tiene relación con la memoria. Básicamente tiene lugar a través de dos mecanismos: la modificación de las estructuras de interconexión y el cambio de la eficacia de las sinapsis.

LA FÍSICA ESTADÍSTICA

Y EL CEREBRO

El cerebro humano es de una gran complejidad. Aunque la frase anterior es un cliché, no por eso deja de ser verdad; se trata del sistema más complejo que conocemos en la naturaleza. Sin embargo, si la física estadística ha de ser exitosa en su tarea de describir algunos aspectos colectivos del funcionamiento del cerebro, como el almacenamiento y llamado de información, necesita proporcionar un modelo con las características siguientes: debe describir el cerebro o alguna subparte de éste de la manera más sencilla posible, y ha de ser capaz de captar los ingredientes fundamentales responsables de llevar a cabo los procesos que nos ocupan. Esto es, se necesita de un modelo simple que prediga, a partir de las características individuales relevantes de un arreglo de neuronas y de sus interacciones, un comportamiento colectivo con ciertas características que describiremos más adelante.

Desde hace algunos años, ha habido intentos por hacer modelos físicos muy simples para describir algunos aspectos del cerebro. Estos modelos se basan en el hecho de que el cerebro tiene un gran número de neuronas, del orden de 10¹⁰ a 10¹¹, ⁴ y en que no es relevante la contribución individual específica de cada una de ellas. Por lo anterior, es razonable suponer que debe haber un mecanismo colectivo involucrado en las funciones que señalamos anteriormente; de ser así, parece adecuado hacer un tratamiento probabilístico de la actividad neuronal. ⁵

En esta medida, podríamos introducir un modelo muy simple, tomado de la física estadística, para describir el comportamiento colectivo de un conjunto muy grande de neuronas interconectadas. Aunque este modelo es completamente inadecuado para explicar y predecir el comportamiento de las neuronas a otros niveles, se ha encontrado que capta algunas características fundamentales que permiten ver estos sistemas como almacenes de información.

El modelo al que haremos mención se basa en una analogía matemática que puede ser establecida entre algunas características de una red de neuronas interconectadas, y un tipo de materiales magnéticos denominados vidrios de espín. Para poder comprender este modelo y sus implicaciones, haremos un paréntesis con el fin de hablar de los materiales magnéticos que existen en la naturaleza.