VII. MEMORIA Y APRENDIZAJE
| �Qu� es la mente? Esta palabra nos resulta �til, y a menudo insustituible, pero carece de un significado concreto y a menudo denota algo et�reo y no localizable. Pero, �podemos concebir a la mente como algo sin bases f�sicas? |
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 f�sicos por medio de los cuales se almacena y procesa la informaci�n
a nivel global (Figura 40). Sin embargo, gracias a estos estudios se ha acumulado
una gran cantidad de conocimientos, que aunque por s� solos no ofrecen una explicaci�n
integral acerca de los procesos por medio de los cuales se almacena la informaci�n
y se logra la evocaci�n mental, constituyen algunas piezas del rompecabezas
que tratamos de armar.
A lo largo de la historia han sido propuestas muchas teor�as que intentan explicar los mecanismos de almacenamiento y remembranza. Por ejemplo, hace algunos a�os se propuso la teor�a de que la informaci�n se almacenaba codificada en una secuencia de mol�cula, de una manera similar al modo en que la informaci�n gen�tica se almacena en las mol�culas de �cido desoxirribonucleico (ADN). Para probar esta teor�a se efectuaron numerosos experimentos que consist�an, por ejemplo, en entrenar animales de una cierta manera y despu�s moler sus cerebros para examinar si estas ense�anzas hab�an producido cambios qu�micos en ellos. Otros experimentos consist�an en utilizar como alimento los cerebros de animales entrenados, para despu�s tratar de encontrar ,"estad�sticamente significativas" en otros animales alimentados con �stos. Pero afortunadamente la teor�a tuvo que ser desechada debido a que no se encontraron evidencias que la apoyaran. (No resulta dif�cil imaginar las implicaciones que esta teor�a hubiese tenido, en caso de aceptarse como correcta).
Figura 40. Esquema de la organizaci�n global del cerebro, el cual sugiere el flujo de informaci�n. El �rea izquierda representa las se�ales sensoriales de entrada y el �rea a la derecha representa a las neuronas motoras que terminan en la c�lulas musculares. Es muy poco lo que sabemos acerca de lo que sucede en la regi�n intermedia. Esto es, la manera en que se procesa la informaci�n.
Las neuronas son c�lulas altamente especializadas y se distinguen de otros
tipos de c�lulas, entre otras cosas, porque son capaces de generar y transmitir
se�ales el�ctricas. Sin embargo, son regidas por las mismas leyes de la naturaleza
que las c�lulas de otros tejidos. Las se�ales qu�micas y el�ctricas 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 qu� momento es que la mente adquiere capacidades como las de la imaginaci�n,
la creatividad, el aprendizaje, la memorizaci�n, 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 �pocas muy antiguas, se ha recurrido
a ideas como la de la existencia del alma. En el diccionario19![[Nota 19]](../imgs/mcommnt.gif){kind=small}
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 m�s f�cil de formular, no tiene bases cient�ficas y por tanto, aceptarla o rechazarla viene a ser s�lo 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 posesi�n de un alma, comparten con nosotros algunas de estas caracter�sticas aunque en ellos estos procesos no sean tan complejos. Por ejemplo, algunos chimpanc�s y gorilas han sido ense�ados a utilizar el "lenguaje norteamericano de se�as", com�nmente utilizado por sordomudos. Estos animales han sido capaces de adquirir un vocabulario de m�s 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 inc�gnitas: �c�mo es posible que un grupo de c�lulas cuya funci�n primordial puede resumirse en la generaci�n y transmisi�n de se�ales el�ctricas, sea capaz de procesar y almacenar informaci�n?, �de qu� manera puede ser �til conocer en detalle los procesos que se llevan a cabo en cada neurona para entender el funcionamiento de la mente?, �qu� tan relevantes son los detalles estructurales del cerebro con respecto a estas funciones? Por otro lado, �es posible reducir cualquier funci�n mental a una colecci�n de se�ales el�ctricas, reacciones qu�micas, etc�tera? De ser as�, �ser� posible la construcci�n de m�quinas que lleven a cabo eficazmente las mismas funciones que nosotros?, y en caso negativo, �se deber� esto a limitaciones tecnol�gicas, o de car�cter fundamental?
El cisma entre la f�sica y la neurobiolog�a que mencionamos en el cap�tulo anterior, contribuy� a que los f�sicos creyesen imposible construir una teor�a del comportamiento del cerebro. Sin embargo, esta creencia se ha ido modificando gradualmente, y en los �ltimos 25 a�os los aspectos del aprendizaje y la memoria se han empezado a estudiar desde el punto de vista de la f�sica estad�stica. Por otro lado, las matem�ticas han tenido un desarrollo importante en a�os recientes, en cuanto a que han empezado a lidiar con sistemas cuyas caracter�sticas son no-linealidad, no-localidad, y no-estacionalidad. Los resultados obtenidos por estas nuevas teor�as son prometedores, pues aunque apenas representan un entendimiento cualitativo de algunos de los procesos m�s 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 direcci�n par continuar la b�squeda.
Como ya mencionamos, ha habido algunas teor�as tendientes a explicar los mecanismos de memoria y evocaci�n mental, las cuales no han podido sobrevivir debido a que carecen de rigor cient�fico 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 c�lulas de nuestro cerebro es el responsable de todas nuestras capacidades mentales, de nuestras emociones, gustos, intereses, habilidades, recuerdos, etc., entonces la siguiente pregunta ser�a, �cu�les son los mecanismos responsables de ellas?, y en particular, �cu�les son los mecanismos responsables de la memoria y del aprendizaje? Antes de intentar dar respuesta a esta �ltima pregunta es conveniente analizar cu�les son las evidencias de tipo fisiol�gico con que contamos.
Es muy dif�cil iniciar el estudio de un problema muy complicado empezando con el problema mismo. Por lo anterior, a menudo buscamos problemas m�s simples de la misma naturaleza que nos puedan aportar conocimientos de car�cter general. Posteriormente, tratamos de analizar cu�les de sus caracter�sticas son generalizables y qu� esperar�amos encontrar en sistemas m�s complejos. Otro procedimiento consiste en separar un sistema muy complicado en subsistemas m�s simples y estudiar las partes por separado. En cierto tipo de problemas, otro m�todo posible consistir�a en estudiar el desarrollo de la formaci�n de dicho sistema.
En la investigaci�n del cerebro se han utilizado todos los recursos reci�n mencionados. As�, 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 caracter�sticas 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 qu�mica 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 �stas. Tambi�n tenemos que la experimentaci�n en animales desarrollados, como el chimpanc�, 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 cient�fico, los cuales son imposibles de efectuar en seres humanos debido a problemas �ticos. 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.
Para entender los procesos de aprendizaje y memoria es muy importante encontrar
a qu� nivel de organizaci�n 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 n�mero reducido de sus neuronas permite relacionar la funci�n de c�lulas
espec�ficas con ciertos comportamientos.20
Mediante el estudio de varios tipos de invertebrados se ha encontrado que éstos son capaces de "habituarse" a situaciones. Esta es la forma m�s rudimentaria y simple de aprendizaje, la cual consiste en lo siguiente: si a un organismo se le presenta un est�mulo desconocido, �ste provocar� una respuesta refleja de defensa; si el est�mulo se repite en numerosas ocasiones y no viene acompa�ado de ninguna agresi�n hacia el animal, este �ltimo terminar� por "habituarse", esto es, dejar� 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 est�mulos t�ctiles, y se logr� su habituaci�n en una sesi�n de 10 a 15 est�mulos. Sin embargo, se encontr� que esta "conducta" hab�a sido completamente olvidada al d�a siguiente. Por otro lado, si el habituamiento se lograba mediante cuatro sesiones de 10 est�mulos cada una y separadas por varias horas, la habituaci�n persist�a durante varias semanas (�de aqu� la importancia de no estudiar �nicamente antes de los ex�menes!).
Al examinar las respuestas de las c�lulas nerviosas, antes y despu�s de la habituaci�n, se encontraron resultados realmente interesantes: se observ� que la habituaci�n, ya sea de corta o de larga duraci�n, provoca un cambio en la efectividad de las interacciones sin�pticas entre las neuronas sensoriales y las neuronas motoras. La �nica diferencia encontrada entre ambos tipos de habituamiento radica en el periodo durante el cual persiste la modificaci�n mencionada. �ste es un resultado muy interesante debido a que anteriormente se pensaba que los mecanismos celulares de almacenamiento de memoria, de corta y larga duraci�n, 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 an�lisis citol�gico del tejido nervioso, nos indica que un gran n�mero de conexiones sin�pticas 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 �poca de mayor "plasticidad" o capacidad para el establecimiento y modificaci�n de nuevas conexiones. El mecanismo de selecci�n de conexiones incluye la formaci�n inicial de un n�mero excesivo de ramas axonales y dendr�ticas, seguidas por la posterior degeneraci�n y reabsorci�n de un gran n�mero de �stas. Esto fue descubierto en la primera d�cada del siglo por Santiago Ram�n y Cajal, quien propuso que todas las ramificaciones que no establecen conexiones correctas desaparecen. Por otro lado, se observa que el reci�n nacido presenta axones casi totalmente desprovistos de mielina; despu�s del nacimiento se inicia un proceso bastante r�pido de recubrimiento de los axones, el cual finaliza alrededor de los cinco a�os de edad.
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 percepci�n, de la adquisici�n del sentido com�n, de la cultura, de las reglas de car�cter 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 memorizaci�n a nivel global. Sin embargo, a nivel celular sabemos que la memoria est� relacionada con modificaciones anat�micas y/o funcionales de las interacciones sin�pticas.
La mayor�a de los neurobi�logos opinan que todas las disposiciones humanas para tener sentimientos, emociones, pensamientos, etc�tera, residen en los patrones de interconexi�n 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 informaci�n a nivel celular y a nivel global en el cerebro, esto es, encontrar los mecanismos de almacenamiento a un nivel de organizaci�n m�s 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 ten�a lugar exclusivamente en regiones limitadas y específicas de la corteza. De esta manera se supon�a, por ejemplo, que los l�bulos frontales ten�an un papel fundamental en la memorizaci�n necesaria para resolver problemas. Sin embargo, se ha encontrado que animales, a los cuales se les ha removido quir�rgicamente la totalidad de la corteza cerebral, si bien pierden su capacidad para aprender tareas complejas, contin�an manifestando cierta capacidad para ser condicionados.
El psic�logo Karl S. Lashley encontr� 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 regi�n del cerebro, descubri� que mientras mayor es la cantidad de corteza da�ada, mayor es la incapacidad posterior del individuo para memorizar y realizar tareas complejas. Esto, independientemente de la localizaci�n de la parte afectada.
Sabemos que en el cerebro existe la substituci�n funcional de unas neuronas
por otras, a diferentes niveles. Continuamente, el n�mero de nuestras neuronas
decrece, pues como dijimos antes, las neuronas no tienen capacidad de reproducci�n.
Sin embargo, la falta de un n�mero peque�o de neuronas, con respecto al n�mero
total, no produce cambios apreciables en el desempe�o de la memoria.21 A
otro nivel, se ha observado que la remoci�n quir�rgica de una parte de los l�bulos
temporales, practicada para controlar la epilepsia, puede producir problemas
de memoria. Cuando esta remoci�n se practica �nicamente en el l�bulo dominante,
el paciente puede tener problemas para aprender de nuevo el material verbal
hasta por tres a�os despu�s de la cirug�a. Esto es, aunque hay p�rdida de material
almacenado, con el tiempo se logra la substituci�n funcional de unas neuronas
por otras y el material puede ser reaprendido. Por supuesto, el grado de recuperaci�n
depende del tama�o del �rea 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 funci�n exclusiva ni de la corteza, ni de regiones particulares de �sta.
El cerebro est� formado por un n�mero muy grande de neuronas. Se considera que este n�mero es del orden de 1011 c�lulas, y que en promedio cada una de ellas recibe o env�a informaci�n de otras 104 c�lulas. De manera que el n�mero total de conexiones en el cerebro deber ser del orden de 1015. Se cree que dentro de esta mara�a de conexiones, los caminos principales de comunicaci�n se encuentran predeterminados por la herencia, de manera que las extensiones neuronales crecen durante la gestaci�n hasta aquellos lugares donde posteriormente ser�n requeridas. Sin embargo el resto de las conexiones deben ser adquiridas despu�s del nacimiento, de manera que el tama�o y estructura de esta red cambia radicalmente, y de manera continua, durante la vida de los individuos. Esta programaci�n, que se consigue despu�s del nacimiento, est� relacionada con el aprendizaje y una parte importante tiene relaci�n con la memoria. B�sicamente tiene lugar a trav�s de dos mecanismos: la modificaci�n de las estructuras de interconexi�n y el cambio de la eficacia de las sinapsis.
El cerebro humano es de una gran complejidad. Aunque la frase anterior es un clich�, no por eso deja de ser verdad; se trata del sistema m�s complejo que conocemos en la naturaleza. Sin embargo, si la f�sica estad�stica ha de ser exitosa en su tarea de describir algunos aspectos colectivos del funcionamiento del cerebro, como el almacenamiento y llamado de informaci�n, necesita proporcionar un modelo con las caracter�sticas siguientes: debe describir el cerebro o alguna subparte de �ste de la manera m�s 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 caracter�sticas individuales relevantes de un arreglo de neuronas y de sus interacciones, un comportamiento colectivo con ciertas caracter�sticas que describiremos m�s adelante.
Desde hace algunos a�os, ha habido intentos por hacer modelos f�sicos muy simples
para describir algunos aspectos del cerebro. Estos modelos se basan en el hecho
de que el cerebro tiene un gran n�mero de neuronas, del orden de 1010
a 1011, 22
y en que no es relevante la contribuci�n individual espec�fica de cada una de
ellas. Por lo anterior, es razonable suponer que debe haber un mecanismo colectivo
involucrado en las funciones que se�alamos anteriormente; de ser as�, parece
adecuado hacer un tratamiento probabil�stico de la actividad neuronal.23
En esta medida, podr�amos introducir un modelo muy simple, tomado de la f�sica estad�stica, 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 caracter�sticas fundamentales que permiten ver estos sistemas como almacenes de informaci�n.
El modelo al que haremos menci�n se basa en una analog�a matem�tica que puede
ser establecida entre algunas caracter�sticas de una red de neuronas
interconectadas, y un tipo de materiales magn�ticos denominados vidrios de
esp�n. Para poder comprender este modelo y sus implicaciones, haremos un
par�ntesis con el fin de hablar de los materiales magn�ticos que existen en
la naturaleza.
