18.7: Capítulo 10- Acetilcolina, experiencia enriquecida y memoria

Visión general

En esta sección complementaria, discutimos brevemente la evidencia del papel del neurotransmisor acetilcolina (ACh) en el aprendizaje y la memoria. Parte de esta evidencia involucra la cría selectiva de ratas para la capacidad de aprender laberintos. Las ratas fueron evaluadas para determinar su capacidad para aprender laberintos. Los buenos aprendices del laberinto fueron criados con otros buenos aprendices del laberinto y los estudiantes pobres del laberinto fueron criados con otros estudiantes pobres del laberinto, generación tras generación. Después de varias generaciones de este tipo de cría selectiva, se establecieron dos cepas separadas de ratas, una consistente en ratas que eran buenos aprendices de laberinto y una segunda cepa de aprendices pobres de laberinto. Los investigadores encontraron más concentraciones cerebrales completas de ACh, y más metabolismo de ACh en la corteza cerebral, en ratas criadas selectivamente para ser buenos aprendices de laberinto en comparación con las ratas criadas para ser pobres aprendices de laberinto. Estas relaciones se interpretaron como evidencia de una implicación de la ACh en el aprendizaje y la memoria. Otra línea de investigación involucró “ambientes enriquecidos” y sus efectos sobre el cerebro en una variedad de especies. Los animales pequeños de laboratorio, como ratas y ratones, a menudo se mantienen en pequeñas jaulas de alambre, dos animales por jaula. En estudios que utilizan “ambientes enriquecidos”, los animales pueden mantenerse en jaulas de grupos grandes que albergan juntos a muchos animales con “juguetes” como ruedas para correr, bloques y otros objetos novedosos o interesantes. Estos “ambientes enriquecidos” no solo proporcionan a los animales muchas cosas que hacer, experimentar y aprender, sino que estos entornos grupales permiten mucha más interacción social de la que puede ocurrir en pequeñas jaulas que albergan solo a dos animales juntos. En ocasiones, los animales son criados en “ambientes empobrecidos” en los que los animales se mantienen solos, un animal por jaula. Los animales criados en “ambientes enriquecidos” en comparación con los criados en “ambientes empobrecidos” desarrollaron corteza cerebral más gruesa y pesada, mayor ramificación dendrítica, más espinas dendríticas y otros cambios anatómicos, así como cambios en la química cerebral. Investigaciones recientes aclaran los mecanismos involucrados en los efectos de la ACh en el aprendizaje y la memoria. La ACh aumenta la excitabilidad de las dendritas de las neuronas possinápticas en la región CA3 del hipocampo involucradas en la memoria.

Diferencias en el metabolismo ACh cerebral inducidas por mejoramiento selectivo para la capacidad de aprendizaje

La amnesia y demencia asociada a la enfermedad de Alzheimer implican daño en los lóbulos frontales, los lóbulos temporales medios, e implican el agotamiento del neurotransmisor de acetilcolina (ACh) debido al daño en el prosencéfalo basal, localizado justo por encima del hipotálamo. El prosencéfalo basal es la principal fuente de ACh en el cerebro (Pinel y Barnes, 2021). La investigación en animales había sugerido durante mucho tiempo que ACh podría estar involucrada en la memoria.

Una forma de probar la implicación de ACh en la memoria es utilizar la reproducción selectiva en animales. Si las diferencias en la capacidad de aprendizaje pudieran asociarse con diferencias específicas en la función cerebral, como la actividad ACh, estas diferencias podrían dar pistas sobre las bases físicas del aprendizaje y la memoria y podrían contribuir a nuestra comprensión de algunas formas de amnesia y demencia.

Rosenzweig y sus colegas encontraron diferencias químicas en los cerebros de ratas criadas selectivamente para la capacidad de aprendizaje de laberinto (Rosenzweig, 2007). Los primeros experimentos se centraron en el neurotransmisor acetilcolina (ACh). La actividad de la acetilcolinesterasa (AChE), enzima que inactiva la ACh tras su estimulación de receptores colinérgicos (sitios receptores possinápticos que reciben ACh), se utilizó como indicador del metabolismo de la acetilcolina (ACh). Las comparaciones entre la actividad de AChE en la corteza cerebral en ratas laberínticas brillantes y aburridas (ratas criadas selectivamente a lo largo de múltiples generaciones, ya sea para aprendizaje de laberinto superior o inferior) mostraron una mayor actividad cortical de AChE, lo que indica un mayor metabolismo de ACh en la cepa Maze-bright en comparación con la y dentro de cada cepa hubo correlaciones significativas entre el desempeño conductual y la actividad de AChE en la corteza cerebral. Además, las concentraciones de ACh en el cerebro entero fueron mayores en la cepa maze-bright que en la maze-dull, lo que sugiere un posible papel de las sinapsis de ACh en el aprendizaje y la memoria. Además, Rosenzweig y su grupo de investigación encontraron que la actividad de AChE aumenta con la edad en ratas hasta cerca de 100 días y luego disminuye.

Cambios anatómicos y bioquímicos en el cerebro inducidos por experiencia enriquecida

Experimentos adicionales de Rozensweig y su grupo de investigación probaron los efectos de la experiencia en el cerebro. Las ratas criadas desde una edad temprana en un ambiente enriquecido, con objetos de estímulo en una jaula grupal, no solo mostraron diferencias en la actividad de AChE y aumento de ARN y proteína, sino que también mostraron un aumento del peso de la corteza y aproximadamente un 5% de aumento en el grosor de la corteza cerebral en comparación con ratas criadas por ellas mismas en jaulas individuales en un ambiente empobrecido. Este hallazgo inesperado fue evidencia temprana de que la experiencia (que resulta en aprendizaje y memoria) puede causar cambios anatómicos en el cerebro, así como cambios en la química cerebral.

Se encontraron resultados similares incluso cuando las ratas mayores estuvieron expuestas a un ambiente enriquecido por tan solo 30 días, y varios estudios adicionales mostraron que la exposición a ambientes enriquecidos por tan solo 4 días fue suficiente para inducir cambios de peso corticales y aumento de la ramificación dendrítica. Estudios posteriores en la corteza occipital encontraron un aumento de 14% en las células gliales, un aumento del número de cuerpos celulares piramidales y un aumento del tamaño de las uniones sinápticas, todo inducido por la experiencia enriquecida, lo que sugiere posibles efectos del aprendizaje y la memoria en el cerebro. Estos estudios también mostraron un mayor número de espinas dendríticas en las ratas expuestas a experiencia enriquecida en comparación con ratas en la condición ambiental empobrecida. Como ya has aprendido, estas pequeñas estructuras espinosas en las dendritas, asociadas a las sinapsis, experimentan un cambio estructural transitorio seguido de un cambio sostenido en el volumen de la columna que dura aproximadamente 30 minutos o más después de la estimulación. Renner y Rozensweig (1987) reportaron que los efectos cerebrales de la experiencia ocurren en una amplia gama de especies probadas, incluyendo ratas, ratones, ardillas, gatos, monos, peces y aves. Rosenzweig (2007) informa que Kozorovitskiy, et al. (2005) encontraron que la exposición de titíes adultos a un ambiente enriquecido en jaulas grupales, por solo 30 días, “resultó en aumentos en la densidad de la columna dendrítica, la longitud dendrítica y la complejidad dendrítica de las neuronas en el hipocampo y la corteza prefrontal, y elevó los niveles de expresión de varias proteínas sinápticas en las mismas regiones”.

La acetilcolina aumenta la excitabilidad dendrítica en el hipocampo

Investigaciones más recientes están ayudando a aclarar el papel de la acetilcolina en el aprendizaje y la memoria. Humphries, et al. (2022) informaron que al inhibir los canales iónicos de potasio (K+), la acetilcolina mejora la excitabilidad de las dendritas en las regiones CA3 del hipocampo reduciendo el número de receptores de NMDA que necesitaban ser excitados para desencadenar la actividad de pico en las sinapsis de NMDA, que se sabe que están involucrados en potenciación a largo plazo (LTP) y memoria a largo plazo (ver Sección 10.4). Así, estos autores proponen que “la acetilcolina facilita la integración dendrítica y la generación de picos NMDA en dendritas CA3 seleccionadas, lo que podría fortalecer las conexiones entre neuronas CA3 específicas para formar conjuntos de memoria” (Humphries, et al., 2022, p. 69).

Referencias

Humphries, R., Mellor, J. R., & O'Donnell, C. (2022). La acetilcolina aumenta los picos dendríticos de NMDA en un modelo de neuronas piramidales CA3. Neurociencia, 489, 69-83.

Kozorovitskiy, Y., Gross, C. G., Kopil, C., Battaglia, L., McBreen, M., Stranahan, A. M., & Gould, E. (2005). La experiencia induce cambios estructurales y bioquímicos en el cerebro de primate adulto. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 102 (48), 17478-17482.

Renner MJ, & Rosenzweig MR. Entornos enriquecidos y empobrecidos: efectos sobre el cerebro y el comportamiento. Springer Verlag; Nueva York: 1987.

Rosenzweig, M. R. (2007). Modificación de circuitos cerebrales a través de la experiencia. En Plasticidad Neural y Memoria: De los Genes a la Imagen Cerebral. CRC Press/Taylor & Francis, Boca Raton (FL); 2007. PMID: 21204433.

Atribuciones

Sección 10.9, “Suplemento 2: Acetilcolina, experiencia enriquecida y memoria”, escrito por Kenneth A. Koenigshofer, PhD., Chaffey College, licenciado bajo CC BY 4.0