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UNIVERSIDAD DE MÁLAGA
PLP Y APRENDIZAJE: EFECTOS DE LA KETAMINA SOBRE EL CONDICIONAMIENTO CLÁSICO
Doctorando: Antonio Caño González Director: Luis Aguado Aguilar Tutor: Julián Almaraz Carretero
Departamento de Psicología Básica, Psicobiología y Metodología de las Ciencias del Comportamiento Facultad de Psicología
Málaga, octubre de 1998
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A mis padres
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Agradecimientos
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Esta tesis, realizada a lo largo de más años de los que hubiese deseado, resume, en buena manera, mi propio devenir académico en la universidad. Los experimentos se desarrollaron en el laboratorio de aprendizaje animal de la Universidad Complutense de Madrid. No obstante, la redacción de la tesis no ha quedado concluida hasta varios años después, estando ya en el área de Psicología Básica de la Universidad de Málaga. Lógicamente, las deudas intelectuales contraídas en todo este tiempo son numerosas. En primer lugar, quiero agradecer a mi director, Luis Aguado, haberme introducido en un campo, el de las bases biológicas del aprendizaje, con una perspectiva, la de los procesos básicos, que no termina en el área de psicología básica. Cuando llegué a Madrid, recién licenciado, con el propósito de realizar mi tesis doctoral con Luis Aguado en el campo de la psicología del aprendizaje, no entendí qué tenía que ver un fármaco en todo el asunto. Con los años reconozco con Luis una deuda intelectual que ha marcado mi formación posterior: la idea de que el estudio de los procesos básicos de aprendizaje puede ganar mucho si no se hace al margen de la neurobiología de esos procesos. Seguramente, la ciencia no distingue entre áreas de conocimiento. Otra importante deuda de esta tesis es hacia el área de psicobiología de Málaga, que me dio la oportunidad de continuar mi trabajo en la universidad cuando se acababa la beca que disfrutaba en Madrid. Estoy convencido de que esta tesis se ha beneficiado de los conocimientos adquiridos durante mi docencia en ese área. Sin éstos, los errores sobre neuroanatomía y neurofisiología en este trabajo serían aún más numerosos. Por último respecto a estas deudas intelectuales, y sólo en este orden por cronología, esta tesis está también contaminada de una perspectiva sobre la ciencia, la explicación psicológica y la psicología del aprendizaje, adquirida en el trabajo cotidiano con mis actuales colegas Pedro Cobos y Paco López. Pedro, Paco y yo
La presente tesis doctoral no habría podido llevarse a cabo sin la financiación de la Universidad Complutense de Madrid y del Ministerio de Educación y Ciencia, que me concedieron sendas becas predoctorales durante los años 1990 a 1993. Asimismo, agradezco al Laboratorio de Aprendizaje Animal y al Departamento de Psicología Básica I de la Universidad Complutense, y al Departamento de Psicología Básica, Psicobiología y Metodología de las Ciencias del Comportamiento de la Universidad de Málaga haberme ofrecido los medios necesarios para desarrollar este trabajo. -
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fuimos compañeros durante la licenciatura, y desde entonces hasta ahora hemos mantenido innumerables e interminables conversaciones y discusiones sobre psicología. El talante reduccionista-asociacionista que, confieso ya, puede observarse en diferentes pasajes de esta tesis no es tampoco ajeno a las mismas. Aunque, por supuesto, ellos no estarían de acuerdo con gran parte de lo defendido aquí. Julián Almaraz fue nuestro profesor de aprendizaje en la licenciatura. Durante todo este tiempo ha servido de catalizador en la dimensión académica de esta fructífera relación, y a él va también dirigido mi agradecimiento. Él tiene gran parte de culpa de mi dedicación a la psicología del aprendizaje. En estos agradecimientos, que son también cierto resumen de mi vida en estos años, Camen tiene el lugar más destacado. Su apoyo comenzó en 1990, cuando me animó a irme a Madrid a realizar la tesis. La última muestra del mismo es de ayer, en el que unimos dos días imprimiéndola. En todo este tiempo nunca he estado solo, incluyendo los veranos que nunca fuimos de vacaciones para trabajar en la tesis. Su apoyo, afectivo y efectivo, lleva a que sea, estoy convencido, quien más tiempo ha dedicado a leerse la tesis, pues ha ido leyendo cada una de las versiones. Sin duda, esta tesis forma tanta parte de su vida como de la mía. Mi familia también tiene un importante lugar en estos agradecimientos. Ellos también me animaron a ir a Madrid, y me han sostenido en los momentos difíciles que he pasado durante todo este tiempo, algunos mucho, sobre todo en Madrid. Gracias a todos: papá, mamá, Isidro, Dani y Kika. Por último, no puedo olvidar a quienes hicieron más agradable mi trabajo en el laboratorio de aprendizaje animal de la Universidad Complutense. Santiago Climent, además de desarrollar el programa en “C” que controlaba las Cajas de Skinner, fue siempre una cara amiga. Mateo, con su peculiar estilo de castellano estirado, me ayudó en la ingrata labor del mantenimiento de los animales. Un recuerdo muy especial a Rafa, Rafael del Valle. Sus visitas al laboratorio fueron siempre las más esperadas por mí. Era distinto. Era mi amigo. Él ya no podrá leer estos agradecimientos.
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ÍNDICE
ÍNDICE ...................................................................................................................... VII INTRODUCCIÓN ...................................................................................................XIII CAPÍTULO I. UN MARCO PARA EL ESTUDIO DE LA PLASTICIDAD SINÁPTICA COMO BASE DEL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA...................3 1. El surgimiento de la neurobiología del aprendizaje y la memoria ...................3 1.1. Los precursores .......................................................................................................... 4 1.2. La relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje ................................................. 8
2. Estrategias de investigación en torno al papel de la plasticidad sináptica en el aprendizaje y la memoria ...................................................................................10 2.1. Síntesis de proteínas y memoria............................................................................... 12 2.2. Otras estrategias en el estudio de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje ...................................................................................................................... 15 2.2.1. El sistema modelo............................................................................................. 15 2.2.1.1. Significado del condicionamiento clásico ................................................. 17 2.2.1.2. Plasticidad sináptica en Aplysia ................................................................ 17 2.2.2. Del nivel fisiológico al psicológico .................................................................. 25
3. Conexionismo y plasticidad sináptica ...............................................................27 3.1. Arquitectura conexionista y arquitectura cerebral.................................................... 28 3.1.1. Características generales de los modelos conexionistas ................................... 29 3.1.2. La metáfora del cerebro .................................................................................... 30 3.2. Nivel de estudio de los modelos conexionistas........................................................ 31 3.2.1. La metáfora dura y la metáfora blanda.............................................................. 32 3.2.2. Posición de los modelos conexionistas en los niveles de explicación de Marr 36 3.3. La regla de aprendizaje, la potenciación a largo plazo y el receptor NMDA........... 38
CAPÍTULO II. EL RECEPTOR NMDA Y SU ANTAGONISTA NO COMPETITIVO KETAMINA..................................................................................47
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PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico
1. El receptor NMDA ............................................................................................. 47 1.1. Tipos de receptores de aminoácidos excitatorios..................................................... 47 1.2. Caracterización del receptor NMDA ....................................................................... 52 1.2.1. Distribución y estructura del receptor NMDA ................................................ 52 1.2.2. Propiedades del receptor NMDA...................................................................... 55 1.2.2.1. El efecto del Mg2+ ..................................................................................... 55 1.2.2.2. El canal de Ca2+ ......................................................................................... 57 1.2.2.3. Modulación por glicina ............................................................................. 58 1.2.2.4. Antagonistas competitivos ........................................................................ 59 1.2.2.5. Antagonistas no competitivos ................................................................... 61
2. La ketamina ........................................................................................................ 62 2.1. La ketamina como antagonista del receptor NMDA................................................ 63 2.2. Farmacodinámica de los efectos conductuales de la ketamina ................................ 69 2.3. El efecto de la ketamina sobre la potenciación a largo plazo .................................. 72 2.4. Otros efectos de la ketamina .................................................................................... 75
CAPÍTULO III. LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO Y SU RELACIÓN CON EL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA ......................................................... 79 1. Caracterización de la PLP................................................................................. 80 1.1. Propiedades de la PLP ............................................................................................. 82 1.1.1. Duración ........................................................................................................... 82 1.1.2. Especificidad .................................................................................................... 83 1.1.3. Cooperatividad y umbral de activación ............................................................ 85 1.1.4. Asociatividad .................................................................................................... 85 1.1.5. Dependencia de la actividad conjunta presináptica y postsináptica. ................ 92 1.2. PLP y ritmo theta hipocampal.................................................................................. 94
2. Mecanismos bioquímicos responsables de la iniciación de PLP .................... 95 2.1. PLP dependiente y PLP independiente de los receptores NMDA ........................... 96 2.2. El receptor NMDA como dispositivo que opera según la regla de Hebb .............. 100
3. Mecanismos bioquímicos responsables del mantenimiento y la expresión de PLP ................................................................................................................... 101 3.1. Cambios a nivel postsináptico ............................................................................... 103 3.1.1. La naturaleza del mecanismo.......................................................................... 103 3.1.1.1. Papel de enzimas dependientes del Ca2+ ................................................. 103 3.1.1.2. Papel de la síntesis de proteínas .............................................................. 106 3.1.2. Modificaciones resultantes a nivel postsináptico ........................................... 107 3.2. Cambios a nivel presináptico ................................................................................. 110 3.2.1. Aumento de la liberación de neurotransmisor ................................................ 110 3.2.2. Mensajeros retrógrados................................................................................... 112
4. Implicación de la PLP en el aprendizaje y la memoria................................. 113 4.1. Estudios correlacionales entre la magnitud de la PLP y la magnitud de la memoria ........................................................................................................................ 115 4.2. El efecto de la experiencia y el aprendizaje sobre la PLP...................................... 116 4.3. El efecto de la inducción de PLP en el posterior aprendizaje ................................ 123 374
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4.4. Similitud en los efectos de tratamientos sobre la PLP y el aprendizaje ................. 126 4.5. El papel de los receptores NMDA en el desarrollo del cerebro dependiente de la experiencia .................................................................................................................... 128 4.6. Aumento del número de receptores relacionado con la PLP y el aprendizaje ....... 129 4.7. Estudios con mutantes: en busca del gen responsable de la PLP y el aprendizaje. 129
CAPÍTULO IV. EFECTOS DE FÁRMACOS ANTAGONISTAS DE RECEPTORES NMDA SOBRE EL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA..........137 1. Introducción ......................................................................................................137 1.1. Objetivo del capítulo .............................................................................................. 137 1.2. Una estrategia para el estudio de la relación entre PLP y aprendizaje y memoria . 138 1.3. Predicciones en torno al efecto de fármacos antagonistas NMDA y AMPA sobre el aprendizaje y la memoria........................................................................................... 140
2. Efectos sobre la adquisición y la recuperación ..............................................144 2.1. Efectos sobre tareas de aprendizaje espacial.......................................................... 145 2.1.1. Efectos sobre el laberinto de agua................................................................... 145 2.1.2. Efectos sobre laberintos radiales, laberintos en T y otras formas de aprendizaje espacial .................................................................................................. 152 2.1.3. Conclusiones................................................................................................... 160 2.2. Efectos sobre la memoria de trabajo en tareas no espaciales ................................. 162 2.3. Efectos sobre el condicionamiento de sabores y olores ......................................... 166 2.4. Efectos sobre el condicionamiento del miedo y de evitación ................................ 169 2.5. Efectos sobre formas de aprendizaje típicas de especie ......................................... 175 2.6. Efectos sobre el condicionamiento de la respuesta de la membrana nictitante del conejo ............................................................................................................................ 178 2.7. Efectos sobre procedimientos de condicionamiento con múltiples ensayos.......... 181 2.8. Efectos de la interacción de antagonistas NMDA con fármacos que actúan sobre otros sistemas de neurotransmisión............................................................................... 184
3. Efectos sobre la consolidación..........................................................................187 3.1. Estudios que no encuentran efectos perjudiciales sobre la consolidación ............. 188 3.2. Estudios que encuentran efectos perjudiciales sobre la consolidación .................. 192 3.2.1. Efectos de la administración de antagonistas NMDA tras el entrenamiento.. 193 3.2.2. Papel de los receptores NMDA en el proceso de consolidación en relación al papel de otros receptores........................................................................................... 196 3.3. Valoración .............................................................................................................. 202
CAPÍTULO V. INTRODUCCIÓN GENERAL A LOS EXPERIMENTOS ......207 1. Justificación de los experimentos ....................................................................207 1.1. Objetivos generales ................................................................................................ 207 1.2. El fármaco elegido: la ketamina............................................................................. 208 1.3. Los procesos de aprendizaje y memoria elegidos: adquisición y recuperación ..... 209 1.4. El procedimiento elegido: el condicionamiento de entrada al comedero............... 210
2. Control de efectos colaterales de la ketamina ................................................214 2.1. Efectos motores de la ketamina.............................................................................. 214 2.2. El aprendizaje dependiente de estado..................................................................... 217 xi
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PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico
3. Método general ................................................................................................. 219 3.1. Sujetos.................................................................................................................... 219 3.2. Fármacos ................................................................................................................ 219 3.3. Aparatos ................................................................................................................. 220 3.4. Procedimiento ........................................................................................................ 221 3.5. Análisis estadísticos............................................................................................... 222
CAPÍTULO VI. EXPERIMENTO 1. EFECTO DE LA KETAMINA SOBRE EL CONDICIONAMIENTO DE DEMORA CORTA (I).................................... 227 1. Introducción...................................................................................................... 227 2. Diseño y variables............................................................................................. 229 3. Método............................................................................................................... 230 3.1. Sujetos.................................................................................................................... 230 3.2. Procedimiento ........................................................................................................ 230
4. Resultados ......................................................................................................... 231 4.1. Efectos sobre la adquisición................................................................................... 231 4.2. Efectos sobre la recuperación ................................................................................ 234 4.3. Efectos sobre la actividad en el comedero en ausencia del EC.............................. 235
5. Discusión ........................................................................................................... 238 5.1 Efectos sobre la adquisición.................................................................................... 238 5.2. Efectos sobre la recuperación ................................................................................ 241 5.3. Efectos sobre la actividad en el comedero en ausencia del EC.............................. 242
CAPÍTULO VII. EXPERIMENTO 2. EFECTO DE LA KETAMINA SOBRE EL CONDICIONAMIENTO DE HUELLA.......................................................... 247 1. Introducción...................................................................................................... 247 2. Diseño y variables............................................................................................. 248 3. Método............................................................................................................... 249 3.1. Sujetos.................................................................................................................... 249 3.2. Procedimiento ........................................................................................................ 249
4. Resultados ......................................................................................................... 250 4.1. Efectos sobre la adquisición al EC......................................................................... 250 4.2. Efectos sobre la adquisición a la huella ................................................................. 252 4.3. Efectos sobre la recuperación ................................................................................ 254 4.4. Efectos sobre la actividad en el comedero en ausencia del EC.............................. 255
5. Discusión ........................................................................................................... 257 5.1. Efectos sobre la adquisición................................................................................... 257 5.2. Efectos sobre la recuperación ................................................................................ 261 5.3. Efectos sobre la actividad en el comedero en ausencia del EC.............................. 262
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CAPÍTULO VIII. EXPERIMENTO 3. EFECTO DE LA KETAMINA SOBRE EL CONDICIONAMIENTO DE DEMORA CORTA (II) ....................269 1. Introducción ......................................................................................................269 2. Diseño y variables .............................................................................................271 3. Método ...............................................................................................................274 3.1. Sujetos .................................................................................................................... 274 3.2. Procedimiento ........................................................................................................ 275
4. Resultados..........................................................................................................275 4.1. Efectos sobre la adquisición................................................................................... 275 4.2. Efectos sobre la recuperación y efectos de aprendizaje dependiente de estado ..... 278 4.3. Efectos sobre las entradas al comedero en ausencia del EC .................................. 279
5. Discusión ............................................................................................................282 5.1. Efectos sobre la adquisición................................................................................... 282 5.2. Efectos sobre la recuperación y efectos de aprendizaje dependiente de estado ..... 284 5.3. Efectos sobre las entradas al comedero en ausencia del EC .................................. 287
CAPÍTULO IX. EXPERIMENTO 4. EFECTO DE LA KETAMINA SOBRE LA DISCRIMINACIÓN Y LA INVERSIÓN DE LA DISCRIMINACIÓN.......293 1. Introducción ......................................................................................................293 2. Diseño y variables .............................................................................................295 3. Método ...............................................................................................................297 3.1. Sujetos .................................................................................................................... 297 3.2. Procedimiento ........................................................................................................ 297
4. Resultados..........................................................................................................300 4.1. Efectos sobre la adquisición de la discriminación ................................................. 300 4.2. Efectos sobre la inversión de la discriminación ..................................................... 302
5. Discusión ............................................................................................................308 5.1. Efectos sobre la adquisición de la discriminación ................................................. 308 5.2. Efectos sobre la inversión de la discriminación ..................................................... 311
CAPÍTULO X. CONCLUSIONES..........................................................................317 1. Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico apetitivo ............318 1.1. Principales hallazgos empíricos ............................................................................. 318 1.1.1. Efectos sobre la adquisición............................................................................ 318 1.1.2. Efectos sobre la recuperación ......................................................................... 319 1.1.3. Efectos sobre las entradas al comedero en ausencia del EC ........................... 320 1.2. La naturaleza del déficit obtenido .......................................................................... 321 1.3. Conclusiones sobre las predicciones puestas a prueba........................................... 322 1.4. El bloqueo de la PLP por la ketamina .................................................................... 324
2. Efectos de antagonistas de receptores implicados en la PLP sobre el aprendizaje y la memoria.....................................................................................326 xi
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PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico
2.1. Efectos de antagonistas NMDA sobre la adquisición y la recuperación................ 326 2.2. Efectos de antagonistas AMPA sobre la adquisición y la recuperación ................ 329 2.3. Efectos de antagonistas NMDA y AMPA sobre la consolidación......................... 330
3. La relación entre PLP y aprendizaje.............................................................. 332 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 339
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Introducción
PLP son las iniciales de potenciación a largo plazo. La PLP es una forma de plasticidad sináptica, descubierta en 1973, en la que se produce un incremento de larga duración en la fuerza de conexión entre dos conjuntos de neuronas. Desde su descubrimiento se ha convertido en la forma de plasticidad sináptica más estudiada en relación al aprendizaje y la memoria1 en mamíferos, con cientos de trabajos publicados al respecto tanto desde una perspectiva psicológica como neurofisiológica. En este trabajo abordamos la relación entre PLP y aprendizaje y memoria, realizando un balance de lo conocido hasta el momento y contribuyendo con nuestros propios experimentos al conocimiento de esta relación. En el capítulo I se presenta un marco general para estudiar la relación entre PLP y aprendizaje. La PLP es una forma de plasticidad sináptica, y por ello, su implicación en el aprendizaje no puede interpretarse al margen de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje. En la primera parte del capítulo se hace un breve recorrido histórico de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje. Que la plasticidad sináptica está en la base del aprendizaje es una idea antigua, postulada ya en el siglo pasado por Ramón y Cajal. Sin embargo, sólo recientemente se ha encontrado evidencia de tal relación. En la última parte del capítulo se presenta el conexionismo como un marco para relacionar los niveles psicológico y neurobiológico en el estudio del aprendizaje. En los modelos conexionistas, el aprendizaje se produce por una modificación en el peso de las conexiones entre sus unidades. Esta idea es análoga a la que, a nivel neurobiológico, postula que el 1
En el estudio de las bases biológicas del aprendizaje y la memoria suelen emplearse indistintamente los términos aprendizaje y memoria cuando se hace referencia a estos procesos de forma genérica. Aunque, por lo general, en este trabajo hacemos referencia explícita a ambos términos para este sentido genérico, con el propósito de facilitar la lectura, en ocasiones se ha omitido el término memoria. Así, el título de este trabajo, PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina..., podría leerse como PLP y aprendizaje y memoria: Efectos de la ketamina...
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PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico
aprendizaje se produce por una modificación en la fuerza de las conexiones entre las neuronas, o sea, por fenómenos de plasticidad sináptica. En el capítulo II se exponen las características del receptor NMDA y del antagonista de estos receptores que utilizamos en nuestros experimentos, la ketamina. La PLP tiene multitud de sugerentes características que la hacen un candidato idóneo para estar implicada en procesos de aprendizaje. Entre estas características destaca la condición de que para que se produzca PLP es necesario la convergencia de actividad pre- y postsináptica, remedando así las condiciones establecidas en la regla de Hebb para que se produzca el fortalecimiento de la conexión entre dos unidades. Esta característica de la PLP es directamente dependiente de un tipo de receptores, los receptores NMDA. Así, una de las estrategias que se ha seguido para estudiar la relación entre PLP y aprendizaje es bloquear la PLP por medio del bloqueo de los receptores NMDA, utilizando para ello antagonistas de estos receptores, y estudiar el efecto que la administración de estos antagonistas tienen sobre diversas tareas de aprendizaje. Ésta es la estrategia que guía los experimentos que componen esta tesis doctoral. En el capítulo III se presenta la PLP: sus propiedades y su implicación en el aprendizaje. Algunas de estas propiedades se desprenden directamente de la dependencia que la PLP muestra del receptor NMDA, por lo que este capítulo figura después de la caracterización del receptor NMDA, a pesar de que así pudiera romperse una mayor continuidad argumental entre los capítulos I y III. En la última parte del capítulo se realiza un repaso de la evidencia empírica que relaciona la PLP con el aprendizaje y la memoria, evidencia acumulada a través de muy diferentes estrategias. En el capítulo IV se revisan los resultados obtenidos en otros estudios en los que se ha utilizado la misma estrategia que seguimos en nuestros experimentos: bloquear los receptores NMDA mediante un antagonista para estudiar su efecto sobre el aprendizaje y la memoria. En la introducción del capítulo se exponen las predicciones en torno al efecto que sobre los procesos de aprendizaje y memoria tiene el bloqueo de los receptores NMDA, así como el bloqueo de otros receptores también implicados en la PLP, los receptores AMPA. Varias de estas predicciones se ponen a prueba en nuestros experimentos. El capítulo V es una introducción general a los experimentos, en el que se exponen los objetivos generales que se persiguen y se justifican las principales decisiones procedimentales adoptadas. En los capítulos VI a IX se exponen los experimentos. Se estudia el efecto de la ketamina sobre el condicionamiento de 374
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demora corta (experimentos 1 y 3), el condicionamiento de huella (experimento 2) y la adquisición e inversión de la discriminación (experimento 4). La estructura en estos capítulos es la misma, acabando siempre con una discusión de los resultados. Dada la similitud de planteamientos en todos los experimentos, la discusión para cada experimento no se ha hecho contando exclusivamente con los resultados de cada uno, sino que va integrando los resultados y las discusiones previas. De esta forma, se evita una discusión general que podría resultar reiterativa. Por último, en el capítulo X se exponen las conclusiones de esta tesis doctoral. Están articuladas en tres apartados. En el primero de ellos se sintetizan los principales hallazgos encontrados en nuestros experimentos. El segundo integra estos hallazgos con los obtenidos en otros experimentos diseñados también bajo la estrategia de bloquear los receptores NMDA y estudiar su efecto sobre procesos de aprendizaje y memoria. Finalmente, situados en un nivel mayor de abstracción, se ofrece una reflexión sobre la relación entre PLP y aprendizaje en el marco de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje.
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CAPÍTULO I. UN MARCO PARA EL ESTUDIO DE LA PLASTICIDAD SINÁPTICA COMO BASE DEL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA 1. El surgimiento de la neurobiología del aprendizaje y la memoria 1.1. Los precursores 1.2. La relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje
2. Estrategias de investigación en torno al papel de la plasticidad sináptica en el aprendizaje y la memoria 2.1. Síntesis de proteínas y memoria 2.2. Otras estrategias en el estudio de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje 2.2.1. El sistema modelo 2.2.1.1. Significado del condicionamiento clásico 2.2.1.2. Plasticidad sináptica en Aplysia 2.2.2. Del nivel fisiológico al psicológico
3. Conexionismo y plasticidad sináptica 3.1. Arquitectura conexionista y arquitectura cerebral 3.1.1. Características generales de los modelos conexionistas. 3.1.2. La metáfora del cerebro 3.2. Nivel de estudio de los modelos conexionistas 3.2.1. La metáfora dura y la metáfora blanda 3.2.2. Posición de los modelos conexionistas en los niveles de explicación de Marr 3.3. La regla de aprendizaje, la potenciación a largo plazo y el receptor NMDA
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Capítulo I Un marco para el estudio de la plasticidad sináptica como base del aprendizaje y la memoria
Nuestro estudio empírico trata con la posible implicación de un fármaco en procesos de aprendizaje y memoria. El fármaco ha sido elegido por su habilidad para bloquear una forma de plasticidad sináptica en concreto. En definitiva, el fármaco es una estrategia para tratar con la implicación de esa forma de plasticidad en el aprendizaje y la memoria. En el presente capítulo se muestran los principales argumentos que relacionan la plasticidad sináptica con el aprendizaje. El primero, histórico, trata sobre el surgimiento de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje. El segundo, metodológico, analiza las diferentes estrategias de investigación que han relacionado la plasticidad sináptica con el aprendizaje. El tercero, teórico, presenta el conexionismo como un marco para el estudio de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje.
1. El surgimiento de la neurobiología del aprendizaje y la memoria La búsqueda del sustrato físico de la memoria -la búsqueda del engrama- es uno de los temas que más ha atraído la atención de los científicos dedicados al estudio del cerebro y la mente. Para responder a qué cambios deben ocurrir en nuestro cerebro para que se produzca aprendizaje muchas son las disciplinas implicadas. En general, a esta amplia área de estudio se le conoce como neurobiología del aprendizaje y la memoria (Dudai, 1989; Martínez y Kesner, 1991). Dada la mezcolanza disciplinar que caracteriza a los estudios en este campo,
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PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico
un breve repaso de su génesis ayudará a delimitar su campo de acción y su estado actual.
1.1. Los precursores Conviene situar el interés por la localización del trazo de memoria o engrama dentro del interés más general encaminado a descubrir la localización de las diferentes funciones mentales. Como fruto de este interés cabe situar a disciplinas pre-científicas como la frenología que se desarrolló durante el siglo pasado (aunque fue fundada por Gall y Spurzheim a comienzos del siglo XIX, el Journal of Phrenology se continuó publicando hasta 1911). La frenología, aunque con una metodología y concepciones concretas sobre la relación entre el cerebro y la mente que el tiempo se encargó de demostrar como errónea, puso el acento en un problema que todavía sigue siendo central entre los estudiosos del cerebro: la localización de las funciones mentales; y puso las bases -en conjunción con descubrimientos fisiológicos de la época, como el de la velocidad de transmisión del impulso nervioso de Helmholtz- de una visión monista del problema mente-cuerpo, que, a nuestro juicio, está en la raíz de un acercamiento científico al estudio de los procesos mentales. Aunque sólo fuera por esas dos ideas subyacentes -la mente se localiza en el cerebro y diferentes funciones mentales tienen diferentes localizaciones cerebrales-, y dado el auge y expansión que sus ideas tuvieron durante casi un siglo, la frenología tuvo una importancia señalada en el resto de la fisiología del cerebro del siglo XIX y comienzos del XX, durante los que se pusieron las bases de un acercamiento científico al estudio de la mente. Tras Gall y su frenología hubieron al menos dos personajes que es necesario reseñar durante el siglo pasado, ambos críticos con la frenología, que apostaron por un método más científico para el estudio de las localizaciones cerebrales: el análisis de los efectos conductuales producidos por lesiones y extirpaciones de partes del cerebro. Estos hombres fueron Pierre Flourens y Paul Broca. Flourens destacó por su oposición a la frenología y al localizacionismo, postulando sólo vagas localizaciones de funciones cerebrales generales (en 1842 publicó Examen de la Frenología). Estableció seis amplias unidades anatómicas en el Sistema Nervioso Central (SNC) y, aplicando la técnica de lesión, fue atribuyendo a éstas funciones diferentes, hablando así de un principio de acción propia para cada parte. No obstante, para Flourens la caracerística fundamental del SNC no era el principio de acción propia, sino el de acción común, con el que hacía referencia al sistema nervioso como un sistema unitario e indivisible. Flourens gozó de gran prestigio e 374
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influencia, por lo que la concepción del sistema nervioso como un todo en el que las funciones precisas eran ilocalizables era la más extendida en la ciencia de la época. Un nuevo giro se produjo en 1861, año en el que Broca hizo público su hallazgo de que la función del lenguaje se localizaba en la base de la tercera circunvolución frontal del hemisferio izquierdo (Broca, 1865). Este descubrimiento mantiene su vigencia en la actualidad, si bien se ha restringido la función del área descubierta por Broca al de la producción del lenguaje, dejándose la comprensión del lenguaje para el área de Wernicke, descubierta con posterioridad. El descubrimiento de Broca puede considerarse como el primero que asignó una función específica a un área bien delimitada del cerebro. Con este hallazgo revolucionó la ciencia de la época al enfrentarse abiertamente a las ideas de Flourens, y recobrando de nuevo auge las ideas localizacionistas abandonadas tras el desprestigio de la frenología. En este contexto de optimismo localizacionista se desarrollaron los primeros estudios encaminados a delimitar el sustrato biológico del aprendizaje y la memoria. En su aparición influyó de forma determinante el desarrollo de paradigmas de aprendizaje con animales, que permitieron una cuantificación precisa de éste a partir de la observación de la conducta. La posibilidad de estudiar el aprendizaje y la memoria en animales abrió las puertas a un nuevo campo de investigación, al poderse realizar sobre éstos lesiones cerebrales. Fue cuando estas técnicas se desarrollaron por parte de los psicólogos experimentales que la neurobiología del aprendizaje y la memoria surgió. Más aún, el espectacular avance que ha adquirido en nuestros días esta disciplina depende críticamente de la aplicación de las herramientas que la psicología experimental con animales le ha facilitado, como es el desarrollo de sistemas modelos, como se expone más abajo. Las principales corrientes responsables del desarrollo de estas técnicas fueron la tradición reflexológica rusa y la conductista estadounidense. Ambas corrientes, aunque con perspectivas teóricas muy distintas, crearon modelos de experimentación con animales en los que el aprendizaje era medido de forma objetiva y cuantitativa. Desde sus propios cimientos, con Sechenov, la reflexología estuvo enmarcada en una intersección entre neurofisiología y conducta, en la que la primera explicaba la conducta. Sechenov, el padre de esta corriente, publicó en 1870 un trabajo titulado ¿Quién debe investigar los problemas de la psicología y cómo?. En él defendió que la mente debía ser estudiada por los fisiólogos, empleando para ello como estrategia el estudio de los reflejos. A principios de siglo, Pavlov abundó en esa concepción, legando a la posteridad el condicionamiento clásico y proponiendo que son los reflejos condicionados la herramienta adecuada para estudiar la mente. xi
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A diferencia de Sechenov, sus contribuciones más importantes no fueron teóricas, sino empíricas, destacando en sus experimentos el rigor metodológico y la precisión con que medía la respuesta de salivación en perros. Teóricamente, Pavlov consideraba el sistema nervioso como un continuo por el que se extendían excitación e inhibición. Sin embargo, esta concepción del sistema nervioso como un continuo estaba ya desfasada incluso en la época de Pavlov, cuando ya se había descubierto la neurona de mano de Ramón y Cajal. A Pavlov debe la psicología de entonces una herramienta metodológica y conceptual para estudiar el aprendizaje en animales, y la psicología de hoy todo un arsenal de procedimientos relacionados con el condicionamiento clásico, que todavía son de plena vigencia. Fue un admirador y posterior colaborador de Pavlov, Jerzy Konorski, también neurofisiólogo antes que psicólogo, quien publicó una obra en 1948 a la que puede considerársele la culminación de la tradición reflexológica, por la influencia que en ella tuvo la obra de Pavlov por un lado y la modernidad de sus planteamientos por otro. Konorski reinterpretó la obra de Pavlov en un marco teórico nuevo, en el que las conexiones entre neuronas eran la explicación de los fenómenos que Pavlov había estudiado. En su obra, Konorski intenta establecer un puente entre mecanismos neurológicos y celulares con el comportamiento, intentando enlazar los niveles más bajos del comportamiento neuronal con los más altos de las funciones cerebrales. Esta obra es pionera, junto a la de Hebb (1949), en su intento explícito de romper con las barreras entre neurofisiología y psicología; así como, al igual que la de Hebb, en enunciar las condiciones bajo las cuales se produce la modificación sináptica, como veremos en el próximo apartado. Sin embargo, la obra de Konorski fue muy poco difundida en occidente. La otra fuente metodológica provenía de Estados Unidos. Allí, Thorndike (1911) desarrolló teorías y procedimientos basados en la caja problema que le llevaron a postular la Ley del Efecto. Con ello puso las bases de lo que posteriormente sería llamado condicionamiento operante. Posterior a Thorndike, pero inspirado en sus descubrimientos y los procedentes del Este de Europa surgió el conductismo de manos de Watson (1914). Watson inició una tradición en psicología que, más que encorsetada bajo una perspectiva teórica, se caracterizaba por una apuesta metodológica. Se trataba de eliminar el subjetivismo. Para ello se hacía necesario eliminar la instropección como método y situar en su lugar el análisis de fenómenos observables, objetivos, positivos. Se inició así el análisis de la conducta, tanto en animales como en humanos, con técnicas como las desarrolladas por Pavlov y Thorndike para estudiar la actividad psíquica o la inteligencia. En los años siguientes, proliferaron los estudios encaminados a estudiar el aprendizaje 374
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animal y se incrementaron y perfeccionaron las técnicas para este fin. El resultado es un cuerpo de conocimientos coherente y bien estructurado que se sigue construyendo en nuestros días, aunque actualmente se evite la denominación de conductismo2 . En este estado de cosas, ya estaban los ingredientes necesarios para que surgieran los primeros estudios encaminados a buscar el sustrato biológico de la memoria. Se trataba de combinar la técnica de lesión cerebral con las originadas por la psicología del aprendizaje animal. Los primeros intentos fueron de Shepherd Franz (1912), quien estudió los efectos de la extracción de los lóbulos frontales sobre la memoria utilizando entre otras técnicas la caja problema. Los estudios de Franz con lesiones fueron continuados por los de su discípulo Karl Lashley, que lo fue también de Watson, quien en 1929 publicó un libro intentando sintetizar sus hallazgos y los de Franz. Dos eran las ideas básicas de Lashley: el principio de acción de masa y el principio de equipotencialidad. Con el primero se hacía referencia a que la capacidad para el aprendizaje era directamente proporcional a la cantidad de tejido cerebral disponible (no dañado). Con el segundo a que las diferentes áreas corticales son funcionalmente equivalentes para el aprendizaje. Así, la lesión de un área implicada en una tarea determinada provocará que sean las áreas restantes las que asuman esa función (equipotencialidad), produciéndose sólo un perjuicio en la ejecución proporcional a la cantidad de tejido cerebral dañado (acción de masa). La concepción de Lashley, por tanto, era pesimista respecto a la posibilidad de la localización del trazo de memoria. Continuador del trabajo de Lashley fue uno de sus estudiantes: Donald Hebb. Su trabajo más representativo (1949) es el primer intento, junto a la monografía de Konorski en 1948 ya mencionada, de sistematizar un conjunto de conocimientos que integraran los provenientes de la neurofisiología por un lado y de la psicología por 2
Actualmente el término conductismo ha caído en desprestigio. Con la revolución cognitiva, en la segunda mitad de siglo, se ha extendido la idea de que el conductismo se quedaba en la periferia del sujeto humano, olvidando lo esencial; se ha usado con frecuencia de forma inapropiada la metáfora de la caja negra; se ha identificado con frecuencia el conductismo metodológico con el conductismo radical skinneriano, tachándosele de ateórico y de no construir modelos explicativos, limitándose a la mera recolección de hechos a nivel conductual. Es frecuente que los continuadores de la tradición experimentalista con animales gusten de ser llamados cognitivos, huyendo del término conductista. Parece olvidarse que teorizaciones como la de Tolman (1932) puede considerarse como una de las primeras aproximaciones esencialmente cognitiva en psicología o que la de Hull (1943) sigue constituyendo una de las teorizaciones más completas, integradoras y formalizadas que, basada sobre datos empíricos, se han hecho sobre el comportamiento humano o animal. En realidad, el conductismo no era más que una prescripción metodológica para afrontar el objeto de estudio psicológico. Era necesario limitarse al estudio de observables, aunque también era lícito inferir a partir de ellos las variables organísmicas que fueran precisas para construir modelos explicativos. No es otra cosa lo que hace la psicología cognitiva que en consecuencia tiene una deuda, habitualmente no reconocida, con el conductismo. xi
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otro, a lo que agrupó bajo el nombre de neuropsicología. La obra de Hebb, como la de Konorski, une psicología y neurofisiología conceptualmente, no sólo de forma metodológica como hicieron Franz y Lashley al unir paradigmas experimentales conductuales con la técnica de lesión. El de Hebb fue un intento de establecer leyes conductuales a partir del conocimiento proveniente de la neurología y la psicología. Así, debemos a Hebb y a Konorski el primer intento de mostrar que una neurofisiología conexionista, basada en conexiones entre neuronas (sinapsis) y su modificación (plasticidad sináptica), es capaz de dar cuenta de los fenómenos de aprendizaje asociativo que Pavlov y Thorndike habían estudiado. Con Hebb y Konorski introducimos una idea central en este trabajo: la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje.
1.2. La relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje Hebb postuló que la infomación se mantenía en el cerebro a través de redes de neuronas, en las que la actividad en las neuronas se mantiene por medio de conexiones de retroalimentación desde las últimas neuronas a las primeras neuronas del circuito. A esto se le conoce como circuitos reverberatorios. No obstante, Hebb postuló que los circuitos reverberatorios eran un mecanismo muy limitado temporalmente, y que para que la memoria fuese más duradera alguna alteración debía producirse en la red. Postuló que ese cambio debía producirse en las sinapsis y en una ahora famosa regla presentó el concepto de aprendizaje íntimamente unido al de plasticidad sináptica. En la regla de Hebb se proponían las condiciones bajo las cuales se modificaba la eficacia sináptica: ...cuando el axón de una célula A está lo suficientemente cerca como para excitar a una célula B, y repetida o persistentemente participa en su excitación, tiene lugar algún proceso de crecimiento o cambio metabólico en una o ambas células, de manera que la eficacia de A como una de las células que excita a B se incrementa (Hebb, 1949, p. 62).
Mucho más tarde que Hebb postulara su regla, en 1973, se encontró un fenómeno de plasticidad sináptica en el cerebro que parecería haber sido diseñado de acuerdo a la regla de Hebb: la potenciación a largo plazo. Ya existen diferentes pruebas de que esta forma de plasticidad sináptica está implicada en procesos de aprendizaje y memoria. Precisamente sobre la relación entre aprendizaje y memoria y potenciación a largo plazo trata nuestro trabajo. La regla de Hebb es, hoy día, ampliamente conocida. Sin embargo, en Konorski también puede encontrarse algo muy similar. Seguramente, la menor
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difusión del libro de Konorski en Estados Unidos hace que conozcamos esta regla únicamente con el apellido de Hebb: ...la precondición óptima para la formación de los reflejos condicionados es la coincidencia de excitación en el centro emisor con un aumento suficientemente abrupto de actividad en el centro receptor (Konorski, 1948, p. 106).
No obstante, en lo que respecta a la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje, Hebb y Konorski estaban siguiendo el camino marcado sesenta años antes por Santiago Ramón y Cajal. Ramón y Cajal (1899) había mostrado que el sistema nervioso estaba compuesto por células separadas (neuronas), que podían comunicarse a través de las sinapsis, y había defendido que el aprendizaje requería tanto el fortalecimiento de las conexiones sinápticas existentes (siguiendo en esto a Tanzi, neurólogo italiano) como la formación de nuevas conexiones sinápticas entre neuronas. Más específicamente, el exhaustivo análisis histológico al que sometió el sistema nervioso vertebrado le llevó a postular que esas conexiones debían producirse en las espinas dendríticas. Hoy día no hay duda de que el aprendizaje requiere, al menos, el fortalecimiento de conexiones sinápticas ya existentes, y cada vez resulta más probable la idea de que, además, se forman nuevas conexiones entre neuronas (Black y Greenough, 1991; Greenough y Bailey, 1988). Siguiendo el análisis de Morris (1989a), se puede decir que Ramón y Cajal respondió a dónde residían el aprendizaje y la memoria: en las sinapsis; y Hebb (aquí habría que incluir también a Konorski), al especificar las condiciones de coincidencia temporal necesarias para la modificación sináptica, respondió a cuándo se producía aprendizaje. Por la vigencia de sus aportaciones, los trabajos de Ramón y Cajal, Konorski y Hebb trascienden su dimensión histórica, situándose en un lugar privilegiado del estado actual de conocimientos en neurociencia. No obstante, ninguno de estos autores lograron una evidencia empírica de que, realmente, la plasticidad sináptica estuviera relacionada con el aprendizaje. Esta primera prueba empírica tuvo que esperar hasta 1970 al trabajo de Eric Kandel con un organismo muy simple: el molusco Aplysia (Castellucci, Pinsker, Kupfermann y Kandel, 1970; Pinsker, Kupfermann, Castellucci y Kandel, 1970). Más adelante ilustraremos este trabajo como una muestra de los avances logrados en la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje. Finalmente, una tercera pregunta del análisis de Morris, cómo se organizan las redes de neuronas para, a partir del fenómeno de plasticidad sináptica, producir aprendizaje y memoria tiene como respuesta a los modelos conexionistas o redes neuronales, que veremos en la última parte de este capítulo. En resumen, la neurobiología del aprendizaje y la memoria parece tener su origen tanto en los estudios experimentales de neurofisiología y neuroanatomía xi
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cerebral, como en el desarrollo de la psicología experimental en animales, que aportó técnicas para estudiar fenómenos cognitivos en animales. Por un lado, esto permitió el desarrollo de experimentos en los que las variables independientes fuesen biológicas (como las lesiones) y las dependientes cognitivas (aprendizaje o memoria inferidos de la conducta del animal en un paradigma determinado), al permitir puentear los problemas éticos derivados de aplicar una estrategia experimental similar en humanos. Por otro lado, los paradigmas experimentales desarrollados en animales estudian fenómenos de aprendizaje más simples y están sometidos a mayores controles, lo que facilita su estudio. Además, la utilización de animales inferiores al hombre, con un sistema nervioso más simple, también facilita el conocimiento del sustrato neuronal del aprendizaje y la memoria. En la actualidad, el estudio de las bases biológicas del aprendizaje y la memoria sigue nutriéndose de estudios con elementos neurofisiológicos y neuroanatómicos por un lado y conductuales por el otro, siendo, por tanto, ésta una característica tanto de su génesis como de su presente.
2. Estrategias de investigación en torno al papel de la plasticidad sináptica en el aprendizaje y la memoria Los estudios sobre las bases biológicas del aprendizaje y la memoria pueden agruparse en dos líneas que, aunque complementarias, han mantenido una considerable autonomía. Una es la investigación sobre las estructuras cerebrales responsables de las capacidades de aprender y recordar. Es un punto de vista neuroanatómico. En la otra línea se encuadran trabajos cuyo objetivo es el descubrimiento de los mecanismos, a nivel celular e incluso molecular, que subyacen a estas capacidades, mecanismos que, consecuentemente, deben encontrarse más extendidos en las estructuras comprometidas con el aprendizaje y la memoria. En esta orientación el nivel de estudio sería neurofisiológico. Es en este nivel de estudio en el que habría que situar los estudios sobre plasticidad sináptica. “¿Qué es la plasticidad sináptica? Hay probablemente tantas definiciones de esta expresión como neurocientíficos” (Baudry, Thompson y Davis, 1993, p. ix). Así comienzan los autores la introducción al libro que titulan Plasticidad sináptica. Nosotros, no obstante, ya hemos esbozado un concepto de plasticidad sináptica que, aunque general, es suficiente para nuestros propósitos. La plasticidad sináptica es una modificación en la eficacia de las sinapsis, bien por la creación de nuevas sinapsis entre neuronas, bien por la alteración de la fuerza con que una neurona se comunica con otra. Similarmente, Kolb y Whishaw (1998) definen la plasticidad 374
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cerebral como la capacidad del cerebro para cambiar su estructura y función. Esta modificación se puede producir por procesos internos, codificados genéticamente, como se produce durante el desarrollo o por procesos dependientes de la experiencia. Son estos últimos los que nos importan como psicólogos interesados en los mecanismos básicos de aprendizaje y memoria. Como ya hemos adelantado, en la actualidad no existen dudas sobre que el aprendizaje y la memoria son consecuencia de cambios en la eficacia sináptica. Estos cambios pueden tener dintintos grados de permanencia -que estaría explicando presumiblemente las diferencias entre memorias a corto y a largo plazo. Cuando estos cambios son de larga duración, existen pocas dudas de que los mecanismos responsables implican cambios estructurales de magnitud en las sinapsis, cambios que necesitan de la síntesis de proteínas a partir de los ácidos nucleicos. Así, una de las hipótesis en relación a las bases biológicas de la memoria más importantes de la segunda mitad de este siglo ha sido la de que existe una relación entre la síntesis de proteínas y la memoria. Tal ha sido la fuerza de esta idea que se ha llegado a postular que la memoria podía residir en proteínas concretas, con lo que quedaba desvinculada la hipótesis de la síntesis de proteínas del concepto de plasticidad sináptica para explicar la memoria. Conviene, por tanto, matizar la diferenciación y el alcance de ambas explicaciones. El término plasticidad sináptica hace referencia tan sólo a la idea de modificación de la eficacia sináptica, sin aludir a los mecanismos por los que la plasticidad sináptica puede producirse. Estos mecanismos podrían ser la síntesis de proteínas u otros. De la misma forma, la síntesis de proteínas, en sentido estricto, alude simplemente a un mecanismo biológico, sin hacer referencia al modo por el que ese mecanismo podría estar implicado en el aprendizaje y la memoria. La implicación en el aprendizaje de la síntesis de proteínas podría venir por la alteración que, como consecuencia de la síntesis de proteínas, se produjera en la eficacia sináptica o podría producirse por otros mecanismos. Aunque actualmente la síntesis de proteínas se relaciona con la memoria merced a su participación en procesos duraderos de plasticidad sináptica éste no ha sido siempre el caso. La síntesis de proteínas se ha convertido en una tradición dentro de las explicaciones neurofisiológicas del aprendizaje y la memoria. Vamos a repasar en primer lugar brevemente sus conclusiones. Posteriormente expondremos otras dos estrategias que se han utilizado para relacionar la plasticidad sináptica con el aprendizaje y que revelan mecanismos distintos y previos a la síntesis de proteínas.
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2.1. Síntesis de proteínas y memoria Inspirados en el concepto de memoria genética, en los años cincuenta se postuló que la memoria podía surgir como consecuencia de la síntesis de proteínas (Katz y Halstead, 1950), bien mediante una modificación directa en los ácidos nucleicos, bien por su expresión posterior durante la síntesis de proteínas. La investigación se ha centrado en el papel del ácido ribonucleico mensajero (ARNm) y, sobre todo, en el de su transcripción durante la síntesis de proteínas. Las hipótesis de trabajo que se han adoptado pueden agruparse en dos. La primera sostiene que trazos de memoria concretos están codificados en fragmentos determinados del ARNm (Hyden y Lange, 1965) o en proteínas específicas sintetizadas a partir de éste (Ungar, 1970); en definitiva, se postula una relación directa entre el tipo de molécula y la representación interna. Esta sería una implicación directa de la síntesis de proteínas en la memoria, que no necesita la mediación de procesos de plasticidad sináptica. La segunda asume que la síntesis de nuevas proteínas puede modificar las propiedades del circuito neuronal en el que las neuronas se hallan inmersas, siendo así, indirectamente, como intervienen en la memoria, en lugar de residir ésta en proteínas concretas (Barondes y Squire, 1972). Claramente, en este caso las propiedades del circuito neuronal se alteran por procesos de plasticidad sináptica. La primera postura fue avalada con datos provenientes de experimentos de transferencia de aprendizaje, en los que se administraba a animales sin entrenamiento extractos del sistema nervioso de animales entrenados. Los primeros de estos experimentos fueron llevados a cabo con planarias, una especie de lombriz caníbal cuando está hambrienta, y consistían en situar a planarias hambrientas y sin entrenamiento junto a planarias que habían sido condicionadas clásicamente, con lo que éstas eran devoradas por aquéllas. Otro grupo de planarias era alimentado por el mismo procedimiento con animales no entrenados. Posteriormente se comparaba la ejecución de ambos grupos, encontrándose que las planarias alimentadas con planarias entrenadas se mostraban, desde el primer día de entrenamiento, notablemente superiores al otro grupo (McConnell, 1962). Aunque envueltos en una gran polémica, estos resultados y otros similares extendieron la investigación en planarias por todo el mundo a comienzos de los sesenta, y alentó este tipo de investigación con animales superiores (un repaso de los hallazgos y la polémica suscitada en torno a la figura de McConnell puede encontrarse en Rilling, 1996). Así, se encontraron resultados similares en ratas sin entrenar a las que se administró el ácido ribonucleico de ratas entrenadas (Jacobson, Babich, Bubash y Jacobson, 374
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1965). Sin embargo, un año después de publicarse este artículo un grupo de veintitrés prestigiosos investigadores procedentes de diferentes universidades trató de poner orden en el asunto y publicaron un contundente artículo en el que se informaba de su fracaso al intentar replicar los resultados de Jacobson de transferencia de aprendizaje en 18 experimentos efectuados, poniendo a disposición sus datos para examen (Byrne et al., 1966). Como valoración de esta estrategia, valen las palabras de Donegan y Thompson (1991): “Retrospectivamente, parece sorprendente que la hipótesis de que ‘memorias específicas residan en moléculas específicas’ pueda haber sido tomada en serio alguna vez, dado que ignora la biología molecular y fisiología de las neuronas” (p. 24). Como ya hemos adelantado, más interesante resulta en la actualidad la segunda interpretación, aceptada unánimemente por los investigadores en el tema (p. ej., Bailey y Kandel, 1995; Davis y Squire, 1984; Dudai, 1989). Dentro de esta interpretación, el papel de la síntesis de proteínas en el aprendizaje y la memoria ha sido estudiado a partir tanto de estudios correlacionales como experimentales. En éstos, se han usado como variables independientes tanto variables biológicas como ambientales. Utilizando variables independientes ambientales destacan los estudios de Rosenzweig y su equipo. Utilizando variables independientes biológicas los estudios más importantes se han realizado a partir de la inhibición de la síntesis de proteínas. Rosenzweig y colaboradores llevan desarrollando desde los años sesenta una extensa investigación, ya clásica, con ratas criadas en ambientes empobrecidos y enriquecidos estimularmente (una buena revisión de estos estudios puede encontrarse en Rosenzweig, 1984; una revisión más reciente puede encontrarse en Kolb y Whishaw, 1998). En los primeros de estos estudios se encontró un peso y grosor mayor en la corteza cerebral de los animales criados en el ambiente rico (Rosenzweig, Krech, Bennett y Diamond, 1962; Diamond, Krech y Rosenzweig, 1964), mostrándose en experimentos posteriores que el aumento de grosor y peso en las ratas criadas en la condición enriquecida era debido a un aumento en las ramificaciones dendríticas de las neuronas, lo que implicaba necesariamente la síntesis de proteínas (Diamond et al., 1975). Sin embargo, hasta aquí, estos cambios estructurales estaban relacionados con experiencias amplias, no con experiencias concretas de aprendizaje. Así, se efectuaron experimentos en los que se compararon ratas entrenadas en alguna forma concreta de aprendizaje con ratas control, y se encontró el mismo tipo de efectos descritos para las ratas criadas en diferentes ambientes (Greenough, 1976). Además, se encontró que las ratas sometidas a experiencias de aprendizaje muestran un nivel de ácidos nucleicos en la corteza xi
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cerebral mayor que las controles (Bennet, Rosenzweig, Morimoto y Hebert, 1979). Además de los estudios de Rosenzweig con ratas, en otros experimentos se ha encontrado el mismo tipo de efectos del aprendizaje sobre el cerebro. Así, dando a un pollito un breve entrenamiento se observa un incremento en la síntesis de proteínas en muestras posteriores de su tejido cerebral (Schliebs, Rose y Stewart, 1985). No obstante, el procedimiento más habitualmente empleado para relacionar la síntesis de proteínas con el aprendizaje ha consistido en estudiar el efecto de la inhibición de la síntesis de proteínas sobre el aprendizaje y la memoria (ver Davis y Squire, 1984, para una revisión sobre los datos obtenidos a partir de esta estrategia). En un estudio típico de inhibición de síntesis de proteínas (ISP) se entrena a un animal poco después de habérsele inyectado el inhibidor, estudiándose su efecto sobre la curva de aprendizaje y sobre la retención en posteriores pruebas a diferentes intervalos temporales. Los hallazgos fundamentales que se han obtenido siguiendo esta estrategia pueden esquematizarse como sigue (Davis y Squire, 1984): 1) La adquisición del aprendizaje no queda afectada por la ISP en aprendizajes relativamente simples y cortos. No obstante, en tareas de mayor complejidad se observa cierto decremento en la función de aprendizaje en relación con los animales control. 2) La ejecución en las pruebas de retención poco después del entrenamiento (menos de tres horas) no muestra diferencias entre animales experimentales y control. 3) Cuando la prueba se realiza varios días después del entrenamiento la ejecución queda significativamente deteriorada en los animales tratados con ISP. 4) Por último, cuando el inhibidor es administrado después del entrenamiento suele encontrarse cierto detrimento en la recuperación, aunque la amnesia no es tan importante como cuando el ISP es administrado antes del entrenamiento. El deterioro es inversamente proporcional al tiempo transcurrido desde el entrenamiento a la administración de la droga. Varias conclusiones emergen de estos datos. En primer lugar, que la adquisición de una tarea no depende de la síntesis de proteínas. Segundo, memorias de corta duración tampoco son sensibles a la inhibición de síntesis de proteínas. Tercero, que memorias de larga duración son consistentemente deterioradas en condiciones que impiden la síntesis de proteínas. Por último, la ISP es crítica para memorias de larga duración sólo si la inhibición se produce durante la experiencia de aprendizaje o poco tiempo después de la misma. Así, la síntesis de proteínas es un mecanismo implicado, al menos en parte, en memorias de larga duración, aunque no en la fase inicial de adquisición ni en memorias de corta duración. Por tanto, son 374
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necesarios otros mecanismos que expliquen la modificación de la eficacia sináptica a corto plazo.
2.2. Otras estrategias en el estudio de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje La hipótesis más plausible por la que la plasticidad sináptica está implicada en la memoria es por un aumento de la zona de contacto entre la neurona presináptica y la neurona postsináptica (Rose, 1993). Tal cambio morfológico en las neuronas es necesariamente lento, conllevando también de forma inevitable la síntesis de proteínas. Sin embargo, hemos visto que la inhibición de la síntesis de proteínas sólo afecta a memorias de larga duración. Así, son necesarios otros mecanismos por los que las sinapsis vean modificada su eficacia de una forma rápida y transitoria, hasta que cambios más duraderos, consecuencia de la síntesis de proteínas, puedan desarrollarse, mecanismos, en definitiva, que den cuenta del aprendizaje y de las memorias de corta duración. En general, se pueden distinguir dos estrategias con las cuales se ha abordado con éxito el estudio de estos mecanismos. Una estrategia es la del sistema modelo. En ella se parte de una forma de aprendizaje para descender hasta sus bases neuronales (Thompson, 1986). Es una estrategia de arriba a abajo. La otra estrategia es ir de abajo a arriba. Se parte de una forma de plasticidad sináptica para estudiar su implicación en alguna forma de aprendizaje (Morris, 1989a; 1994).
2.2.1. El sistema modelo En los últimos años se han obtenido numerosos resultados utilizando diferentes paradigmas que muestran que, al menos, ciertas formas de aprendizaje dependen de cambios fisiológicos en las sinapsis rápidamente originados tras su estimulación, que alteran su efectividad durante cierto periodo de tiempo. Muchos de estos estudios pueden encuadrarse dentro de la estrategia del sistema modelo, término empleado por Thompson (1986; Donegan y Thompson, 1991). Esta estrategia consiste en la utilización de una forma de aprendizaje simple y bien conocida en un animal cuyo sistema nervioso sea susceptible de ser analizado con precisión en lo que respecta al circuito neuronal implicado en el aprendizaje. Se trataría de una estrategia de arriba a abajo: ir del nivel psicológico al fisiológico. Algunos ejemplos de esta estrategia son los estudios de Alkon (1984) con el condicionamiento de supresión de la respuesta fototáxica en Hermissenda; Carew et al. (1983) estudiando xi
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el reflejo de retracción de la branquia en Aplysia; Cohen (1980) con el condicionamiento del ritmo cardíaco en la paloma; Horn (1985) estudiando la impronta en pollos; Thompson et al. (1984) con el condicionamiento de la respuesta de la membrana nictitante en el conejo; Weinberger (1980) estudiando la respuesta pupilar en gatos; o Woody y Brozek (1969) con la respuesta de parpadeo en gatos. Sin duda, siguiendo esta estrategia, el objetivo es reducir fenómenos superiores, como los psicológicos o cognitivos a fenómenos básicos, como los celulares o incluso bioquímicos. La primera evidencia de que la plasticidad sináptica está en la base del aprendizaje llegó siguiendo esta estrategia (Castellucci, Pinsker, Kupfermann y Kandel, 1970; Pinsker, Kupfermann, Castellucci y Kandel, 1970, trabajando con Aplysia). Los trabajos de Kandel y su grupo a partir de este descubrimiento han supuesto un hito en el estudio de la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje. La primera prueba de plasticidad sináptica la encontraron estudiando habituación, una forma de aprendizaje no asociativo. Posteriormente, encontraron también el mecanismo de plasticidad sináptica propio de la sensibilización. Estos estudios obtuvieron su mayor trascendencia cuando alcanzaron a reducir a mecanismos de plasticidad sináptica una forma de aprendizaje asociativo: el condicionamiento clásico. Salvo los estudios de Horn con impronta, en el resto de procedimientos mencionados en relación a esta estrategia el tipo de aprendizaje elegido es el condicionamiento clásico. Sin duda, el condicionamiento clásico se ha convertido en los últimos años en el tipo de aprendizaje preferido por los estudiosos de las bases biológicas de la memoria. El riguroso control de las condiciones de aprendizaje que permite es fundamental para que ocupe este lugar. Sin embargo, otras formas de aprendizaje, como la habituación o la sensibilización, permiten un control de condiciones similar o superior (Thompson y Spencer, 1966). Lo que hace del condicionamento clásico la herramienta preferida por los neurocientíficos de la cognición es la interpretación cognitiva que en la actualidad se hace del mismo, que lo sitúa en un perfecto compromiso entre el control experimental y la relevancia psicológica. Vamos a exponer en primer lugar, con brevedad, la interpretación actual del condicionamiento clásico. Después, el trabajo ya clásico de Kandel con Aplysia, con objeto de ilustrar esta estrategia de investigación -el sistema modelo- y exponer algunos mecanismos que pueden intervenir en procesos de plasticidad sináptica de corta duración, previos a la síntesis de proteínas.
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2.2.1.1. Significado del condicionamiento clásico El condicionamiento clásico, junto con el operante, son las dos formas principales de aprendizaje asociativo. Lo que ocurre en términos conductuales durante el condicionamiento clásico es que un organismo aprende a responder ante un estímulo neutro que en un principio no elicitaba respuesta, merced al emparejamiento sucesivo entre el estímulo y un estímulo incondicionado (EI), motivacionalmente relevante, que sí evoca desde un primer momento una respuesta incondicionada (RI). A este aprendizaje se le llama condicionamiento clásico. Al estímulo neutro, una vez condicionado, estímulo condicionado (EC) y a la respuesta que éste produce tras el condicionamiento, respuesta condicionada (RC). Hemos visto que esta forma de aprendizaje es conocida desde Pavlov (1927). Modernamente, esta descripción en términos conductuales ha sido complementada por otra en términos cognitivos (Aguado, 1983; Dickinson, 1980; Mackintosh, 1983, Rescorla, 1988). Se diría, desde esta visión, que un estímulo en principio irrelevante (EC), tras presentaciones sucesivas en las que es seguido por otro motivacionalmente relevante (EI), termina señalando la presencia del EI y se convierte, por medio del condicionamiento, en un estímulo predictor de éste. Así, el condicionamiento se convierte en la adquisición de conocimientos acerca de las relaciones entre eventos (estímulos en el condicionamiento clásico o estímulos y respuestas en el condicionamiento operante). Este sabor cognitivo que ha impregnado al condicionamiento durante los últimos años lo ha situado en el punto de mira de neurocientíficos y psicólogos cognitivos, por el estricto control de las condiciones de aprendizaje que permite, por un lado, y por la relevancia que a nivel cognitivo tiene el fenómeno, por el otro. Así, el condicionamiento clásico puede verse como un método de investigación que permite la relación entre neurociencia y psicología cognitiva. Estudiar a nivel neuronal y bioquímico el condicionamiento de contracción de la branquia en la Aplysia, por ejemplo, significa estudiar algo más que el sustrato neurológico de una respuesta. De alguna manera, se está estudiando el sustrato biológico del mecanismo de aprendizaje por el que un organismo conoce su ambiente.
2.2.1.2. Plasticidad sináptica en Aplysia Aplysia es un molusco marino cuyo sistema nervioso central consta de tan sólo unas 20.000 neuronas (el cerebro humano consta de 100.000.000.000 de neuronas aproximadamente), y está formado por varios ganglios. La Aplysia respira mediante una branquia, situada en su parte dorsal, dentro de la cavidad del manto y protegida xi
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por un pliegue de éste. El pliegue del manto, en su parte posterior forma el sifón, por el cual el animal absorbe el agua necesaria para la respiración. Si un estímulo táctil toca el manto o el sifón se produce un reflejo con dos componentes: se contrae el sifón y se contrae la branquia. Vamos a centrarnos en el reflejo de contracción de la branquia. El reflejo es controlado por el ganglio abdominal. En él intervienen neuronas motoras y sensoriales que inervan la branquia, el sifón y el pliegue del manto. Las neuronas sensoriales hacen sinapsis con las motoras, bien directamente, bien por medio de interneuronas. El gran tamaño de las neuronas, así como el pequeño número de ellas implicadas en este reflejo permite un seguimiento célula a célula del circuito nervioso implicado en el reflejo. En un importante paso dentro de una estrategia reduccionista puede pasarse del estudio a nivel conductual, en el que se utilizan estímulos y respuestas al estudio a nivel celular, en el que se estimula con microelectrodos las neuronas sensoriales y se registran los potenciales postsinápticos de las neuronas motoras (Castellucci et al., 1970). Estímulos y respuestas a ambos niveles son intercambiables. Así, pueden estimularse con microelectrodos las neuronas sensoriales que inervan el sifón y estudiar la respuesta conductual de retracción de la branquia, o estimularse táctilmente el sifón y registrar los potenciales postsinápticos en las neuronas motoras que inervan la branquia. El reflejo sigue siendo el mismo. El reflejo de contracción de la branquia puede habituarse (Pinsker et al., 1970), sensibilizarse3 (Carew et al., 1971) y condicionarse clásicamente (Carew et al., 1981; Lukowiak y Sahley, 1981). Kandel y sus colaboradores han logrado aislar los procesos de plasticidad sináptica responsables en Aplysia de estas tres formas de aprendizaje, habiendo diferenciado los mecanismos que producen cambios transitorios de los que se encargan de mantener estos cambios. Los primeros son producidos por cambios fisiológicos en las sinapsis que alteran su eficacia afectando a la cantidad de neurotransmisor liberado, y los segundos por cambios estructurales en las sinapsis producidos a partir de la síntesis de proteínas. Los primeros son responsables del aprendizaje y la MCP y los segundos de la MLP (Bailey y Chen, 1983; Bailey y Kandel, 1985; Bailey y Kandel, 1995). En nuestro repaso vamos a
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La habituación y la sensibilización son dos formas de aprendizaje no asociativo. En la habituación la presentación repetida de un estímulo, que provoca una respuesta desde el prncipio, reduce la intensidad de la misma. La sensibilización consiste en la amplificación de la intensidad de un reflejo A’ (provocado por una estimulación A) tras la exposición del animal a una estimulación intensa, que puede ser el mismo estímulo A si es suficientemente intenso o un estímulo diferente, B. En este segundo caso, es importante resaltar que la sensibilización se produce sin que exista correlación temporal entre el estímulo A y el estímulo B, siendo, por tanto, una forma de aprendizaje no asociativo. 374
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obviar los cambios que implican el mantenimiento de las modificaciones en la eficacia sináptica, al ser éstos dependientes de la síntesis de proteínas, que ya hemos visto (una exposición de los cambios responsables de la MLP en Aplysia puede encontrarse en Bailey y Kandel, 1995). En la Aplysia, el mecanismo de plasticidad sináptica que explica el condicionamiento clásico se deriva directamente del mecanismo de plasticidad propio de la sensibilización (Hawkins et al., 1983; Hawkins y Kandel, 1984). Así, vamos a exponer en primer lugar estos mecanismos para la habituación y la sensibilización para desembocar en el condicionamiento clásico. Las características paramétricas de la habituación de este reflejo observadas en Aplysia coinciden con las ya clásicas descritas por Thompson y Spencer (1966) para este fenómeno, entre las que destacan la recuperación espontánea tras el descanso, la deshabituación tras la presentación de un estímulo intenso, o una mayor magnitud de la habituación con un intervalo entre presentaciones menor. Asimismo, en Aplysia es posible obtener habituación a corto y a largo plazo, con parámetros y características similares a los utilizados por Leaton (1976) para la respuesta de sobresalto en ratas. Estas mismas características paramétricas en Aplysia pueden observarse tanto estimulando y registrando conductualmente como estimulando y registrando neuronalmente con microelectrodos. A nivel neuronal, la habituación del reflejo de retracción de la branquia ante la estimulación táctil del sifón resultó ser producida por la disminución de la eficacia de la sinapsis entre la neurona sensorial del sifón y la motora de la branquia. Esta depresión sináptica, medida a partir de los potenciales postsinápticos, se desarrolla a medida que aumenta el número de ensayos y correlaciona perfectamente con la progresiva supresión del reflejo de retracción de la branquia (Castellucci et al., 1970; Pinsker et al., 1970). Esta es la primera prueba obtenida sobre cualquier ser vivo de modificación de la eficacia de una sinapsis debido a una experiencia de aprendizaje. Descendiendo a nivel molecular, Castellucci y Kandel (1974) encontraron el mecanismo por el que se producía la modificación de la eficacia sináptica. La causa de la pérdida de efectividad de la sinapsis residía en que el terminal presináptico liberaba menos cantidad de neurotransmisor tras el entrenamiento en habituación (depresión presináptica), produciéndose así una menor activación de la neurona motora. Como en este proceso no interviene ninguna neurona adicional a las dos implicadas en la sinapsis, se habla de depresión homosináptica.
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Para producir sensibilización, el estímulo intenso utilizado en la Aplysia es una descarga eléctrica en la cola, produciéndose un reflejo de retracción de la branquia inusualmente amplificado ante posteriores estimulaciones del sifón (Carew et al., 1971). La sensibilización, sin embargo, un proceso que conductualmente parece simétricamente opuesto al de habituación, se explica por un mecanismo sináptico diferente (esta idea es coherente con la teoría del proceso dual de Groves y Thompson (1970) sobre los mecanismos neurológicos responsables de la habituación y la sensibilización en vertebrados). Si la habituación se debía a un proceso de depresión homosináptica, la sensibilización se debe a un proceso de facilitación heterosináptica. La descarga sobre la cola produce la activación de una interneurona que hace sinapsis axoaxónica4 con la neurona sensorial del sifón. El resultado de esta sinapsis es la facilitación de la sinapsis entre la neurona sensorial del sifón y la motora de la branquia. Así, el mecanismo de plasticidad sináptica responsable de la sensibilización es la facilitación -heterosináptica- del terminal presináptico (Castellucci y Kandel, 1976). La sensibilización en la Aplysia es, pues, también susceptible de ser analizada en términos de cambio en la eficacia sináptica. El artefacto molecular que subyace a la facilitación presináptica en la sensibilización es algo complejo y no nos interesa en sí mismo, pero resulta necesario para conocer posteriormente cómo el mecanismo neuronal para el condicionamiento surge como una elaboración del de la sensibilización. Klein y Kandel (1980) expusieron un modelo molecular para la sensibilización en Aplysia, que ha recibido posteriormente amplia confirmación (Abrams y Kandel, 1988; Kandel, 1991). Una vez que el neurotransmisor liberado por la interneurona facilitadora (serotonina) se une al receptor de la neurona sensorial del sifón, todo el resto del proceso se produce en el interior de esta neurona (terminal presináptico). En realidad, se trata de la secuencia típica de un sistema de segundos mensajeros. De acuerdo con el modelo, una vez unida la serotonina al receptor se activa una proteína acoplada al receptor, llamada proteína G, que se une a una molécula de guanosín trifosfato (GTP). Esta unión activa una enzima, la adenilciclasa, que produce la síntesis de adenosín monofosfato cíclico (AMPc). El AMPc, a su vez, activa otras enzimas, las proteínas kinasas. La kinasas, mediante un proceso de fosforilación, intervienen sobre los canales de potasio -a través de los cuales pasan
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Las sinapsis convencionales son axodendríticas, siendo el axón el terminal presináptico y las dendritas el terminal postsináptico. Las sinapsis axoaxónicas son infrecuentes, y su función es, más que producir un potencial postsináptico en el axón, modular la salida de neurotranmisor del mismo, con lo que modulan la eficacia de la sinapsis convencional en la que ese axón es el terminal presináptico. 374
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los iones de potasio a través de la membrana celular- cerrándolos, impidiendo el paso así de estos iones. Como la salida de iones potasio de la célula es la responsable de la repolarización durante el potencial de acción, al cerrarse los canales de potasio, el potencial en la neurona sensorial dura más, liberándose más cantidad de neurotransmisor en la neurona sensorial del sifón. Esta mayor liberación de neurotransmisor, inverso a lo que ocurría en la habituación, origina un potencial postsináptico mayor en la motoneurona de la branquia, que es lo que produce una retracción de la misma más vigorosa. Aplysia también puede mostrar condicionamiento clásico. A nivel conductual, el condicionamiento puede establecerse merced al emparejamiento de la estimulación del sifón (EC) con una descarga eléctrica en la cola (EI) (Carew et al., 1981). El resultado tras varios emparejamientos es una retracción de la branquia significativamente mayor5 que en animales en los cuales se presentan ambos estímulos descorrelacionadamente, y también claramente mayor que en animales sensibilizados. Como ya hemos dicho, esta nueva conducta puede ser descrita como el aprendizaje del animal de una relación entre eventos, en este caso de la relación: "Un contacto leve en el sifón es seguido por una descarga eléctrica en la cola". Múltiples aprendizajes de relaciones como la expuesta estarían formando el conocimiento de la Aplysia de su medio. Dos condiciones temporales básicas del condicionamiento clásico en animales superiores son también requisitos necesarios para que el condicionamiento pueda establecerse en Aplysia. Son la dependencia de orden, en la que el EC debe preceder al EI (Aplysia, como los vertebrados, no muestra condicionamiento simultáneo ni condicionamiento hacia atrás); y la contigüidad temporal, en la que se define un periodo de tiempo corto en el que el EI debe seguir al EC (en Aplysia, un segundo). Hawkins y Kandel (1984) han sugerido que los procesos a nivel neuronal y molecular que se producen en Aplysia durante el condicionamiento clásico son una extensión de los expuestos para la sensibilización, lo que les ha llevado a postular la existencia de un alfabeto celular para el aprendizaje: ...la evidencia disponible sugiere que el condicionamiento clásico y la sensibilización no son fundamentalmente diferentes, como frecuentemente se piensa, sino que los mecanimos celulares del condicionamiento parecen ser una 5
Hay que recordar que la sola estimulación del sifón o el manto ya producía una leve retracción de la branquia. Así, lo que el condicionamiento hace es intensificar la respuesta que ya producía el EC. A este tipo de condicionamiento clásico se le conoce como condicionamiento tipo alfa, y tradicionalmente se ha mantenido que no es "verdadero" condicionamiento. Aunque la polémica es muy antigua y lleva décadas dormida, sus implicaciones en los mecanismos neuronales responsables del aprendizaje la han reavivado. Posiciones antagónicas, con importantes consecuencias para la relación entre mecanismos de plasticidad sináptica y aprendizaje, pueden encontrarse en Hawkins y Kandel (1984) y Morris (1990). xi
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elaboración de los mecanismos de la sensibilización. Hemos tratado de extender este argumento sugiriendo que puede existir un alfabeto celular para el aprendizaje y que, sorprendentemente, formas de aprendizaje complejas podrían estar generadas a partir de la combinación de este alfabeto de mecanismos celulares simples (Hawkins y Kandel, 1984, p. 389)
¿Qué ocurre a nivel neuronal durante el condicionamiento clásico? La contigüidad estimular EC-EI conduce a una contigüidad similar entre la activación de la neurona sensorial del sifón y la interneurona de la cola. Se comprueba que la activación de la interneurona justo después de la activación de la neurona sensorial produce una mayor facilitación en ésta que si la interneurona se activa antes que la neurona sensorial o ambas se activan descorrelacionadamente (Hawkins et al., 1983). Así, al igual que en la sensibilización, el condicionamiento clásico se produce gracias a un mecanismo de facilitación presináptica. Pero en el caso del condicionamiento el mecanismo es críticamente dependiente de la activación simultánea, y en un orden, de las dos neuronas: la neurona sensorial del sifón (neurona presináptica) debe preceder en su disparo a la neurona facilitadora (interneurona). Cuando esto ocurre, la cantidad de AMPc en la neurona sensorial es mayor que en el caso de la sensibilización, y como consecuencia de ello, toda la secuencia de acontecimientos que desencadena el AMPc queda amplificada, liberándose más cantidad de neurotransmisor que durante la sensibilización, y produciéndose, por tanto, una retracción de la branquia amplificada. Por ser una modulación temporal del mecanismo neuronal de la sensibilización, Kandel y Schwartz (1982) llamaron a este tipo de aumento de la eficacia sináptica amplificación activodependiente de la facilitación presináptica. Nótese que con este mecanismo se hace referencia a una modificación en la eficacia de una sinapsis por un mecanismo que implica la coincidencia temporal en la activación de dos neuronas. Aunque este mecanismo recuerda al postulado por Hebb, es notablemente diferente. En el propuesto por Hebb, la coincidencia temporal se debe producir entre la actividad de la neurona presináptica y la postsináptica. En el postulado por Kandel, la coincidencia temporal se produce entre la neurona presináptica y una neurona facilitadora que hace sinapsis con ésta (fig. 1.1).
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Sinapsis tipo Hebb
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Sinapsis tipo Kandel NF
Pre
Post
Pre: neurona presináptica
Pre
Post: neurona postsináptica.
Post
NF: neurona facilitadora
Figura 1.1. Dos mecanismos para la modificación de la eficacia sináptica a partir de la experiencia. El primero fue postulado por Hebb a nivel teórico. El segundo ha sido encontrado por Kandel y su equipo durante el condicionamiento clásico en Aplysia. En la sinapsis tipo Hebb se requiere la activación conjunta de la neurona presináptica con la neurona postsináptica para que se incremente la fuerza de conexión entre ambas. En la sinapsis tipo Kandel se requiere la activación conjunta de la neurona presináptica con una tercera neurona que hace sinapsis axoaxónica con ella. Esta activación conjunta hace que se incremente la fuerza de conexión entre la neurona presináptica y la neurona postináptica, por el aumento en la liberación de neurotransmisor en la primera. Las neuronas sombreadas representan aquéllas cuya actividad concurrente es necesaria para el aumento en la fuerza de conexión.
En el caso de Aplysia, pueden representarse a nivel neuronal los estímulos y respuestas implicados en el condicionamiento clásico siguiendo el esquema de plasticidad propuesto por Kandel, de forma que el EC estaría siendo representado por la activación de la neurona sensorial, el EI por la activación de la interneurona y la RC por la motoneurona de la branquia (fig. 1.2). EI
RC
EC
Figura 1.2. En Aplysia, la activación de la neurona sensorial (terminal presináptico) representa el EC; la activación de la interneurona facilitadora representa la estimulación del EI; y el grado de activación de la motoneurona de la branquia representa la magnitud de la RC. La coincidencia de actividad en EC y EI es necesaria para que se produzca la RC. (Adaptado de Abrams y Kandel, 1988). xi
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Faltaría por explicar cuál es el mecanismo que permite la modulación temporal de la facilitación presináptica. Esta cuestión es trascendente, pues es la dimensión temporal la que caracteriza al condicionamiento y la que le confiere su importancia teórica. Aunque sobre esto los resultados aún no son concluyentes, el elemento clave parece ser la adenilciclasa, que es la enzima que origina el aumento de AMPc en la neurona sensorial (Abrams y Kandel, 1988). Sobre la adenilciclasa pueden actuar los eventos que a nivel molecular representan tanto al EC como al EI. Hemos visto que la adenilciclasa se activa como consecuencia de la llegada de la serotonina (representante del EI, al ser consecuencia de la estimulación de la neurona facilitadora) a la neurona sensorial. Y se sabe que es también sensible al flujo de calcio que durante el potencial de acción penetra en la neurona sensorial (representante del EC, al ser el potencial de acción en esa neurona consecuencia de su estimulación). De hecho, cuando durante el potencial de acción el flujo de calcio es eliminado, no se produce amplificación de la respuesta (Abrams, 1985). Así, el calcio que entra en la neurona sensorial durante el potencial de acción producido por el EC prepara a la adenilciclasa de forma que cuando llega la serotonina, liberada como consecuencia del EI, la adenilciclasa sintetiza más AMPc. Por tanto, la activación de la adenilciclasa por el calcio (representante del EC) y por la serotonina (representante del EI), por ese orden y dentro del adecuado margen temporal produce una mayor cantidad de AMPc que el producido independientemente por la serotonina durante la sensibilización. Varias conclusiones controvertidas emergen de la investigación expuesta sobre los mecanismos de plasticidad sináptica implicados en las diferentes formas de aprendizaje en Aplysia (Farley y Alkon, 1985; Morris, 1990). Vamos a enfatizar dos de gran importancia teórica. La primera en relación a la existencia de un alfabeto celular para el aprendizaje. La segunda a la reducción de las propiedades temporales del condicionamiento a las de una molécula, la adenilciclasa, para asociar dos estimulaciones. Aunque, sin duda, la existencia de un alfabeto celular para el aprendizaje es una cautivadora idea por su parsimonia explicativa, presenta varios inconvenientes. Morris (1990) realiza una detallada crítica a las posiciones de Kandel, concluyendo que puede existir un alfabeto celular para la plasticidad, pero no un alfabeto celular para el aprendizaje. El aprendizaje mediado por una forma de plasticidad sería función directa de la arquitectura neuronal en la que se hallara la sinapsis, y no de la sinapsis misma. En definitiva, Morris discute que se haya aislado un alfabeto celular para el aprendizaje -más aún, que ese alfabeto pueda existir-, reconociendo que se ha aislado un alfabeto para la plasticidad sináptica. Sin embargo, el hecho 374
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complementario, que no conviene olvidar, es que, al menos en Aplysia, se ha conseguido reducir6 el aprendizaje a fenómenos de plasticidad sináptica. La segunda conclusión abunda en la idea de una explicación reduccionista para el condicionamiento. Nótese cómo las propiedades temporales del condicionamiento para asociar dos estímulos (tanto intervalo entre estímulos como orden de la estimulación) son, al final, reducidas a las restricciones temporales que impone una molécula, la adenilciclasa, para ser estimulada por otras dos: los iones de calcio y la serotonina (Abrams y Kandel, 1988; Kandel, 1991). Se habría llegado a un reduccionismo biológico perfecto en la explicación de la contigüidad temporal entre eventos. Esta contigüidad temporal se produciría por las propiedades, no ya de una sinapsis, sino de una molécula. No obstante, aquí hay que ser cautelosos, ya que las limitaciones técnicas no permiten el control temporal de la aplicación de la serotonina, por lo que no puede asegurarse que las propiedades temporales de la adenilciclasa para asociar calcio y serotonina sean las mismas que las observadas a nivel conductual. Para terminar con los estudios sobre Aplysia, queremos enfatizar que, sea cual sea el nivel al que finalmente podamos reducir el aprendizaje, lo que no permite discusión es que las tres formas de aprendizaje estudiadas se sustentan sobre mecanismos de plasticidad sináptica. Los estudios sobre Aplysia son sólo un ejemplo de la estrategia reduccionista del sistema modelo -si bien quizás sea en Aplysia donde mejor se han identificado estos fenómenos a nivel molecular-, habiéndose identificado fenómenos de plasticidad sináptica subyacentes a otras formas de aprendizaje en diferentes especies, como ya hemos mencionado. En esta estrategia hemos ido del nivel psicológico al fisiológico, e incluso molecular. La estrategia inversa consiste en partir del nivel fisiológico para ascender hasta el psicológico.
2.2.2. Del nivel fisiológico al psicológico La estrategia inversa a la del sistema modelo es ir de abajo a arriba, del nivel fisiológico al psicológico. En esta estrategia se toma como punto de partida una forma de plasticidad sináptica bien conocida, para pasar a estudiar su posible implicación en diferentes procesos de aprendizaje y memoria. Sin duda, esta 6
Empleamos el termino reduccionismo en su sentido menos ambicioso de reduccionismo constitutivo (Dudai, 1989). Se entiende así el reduccionismo simplemente como descender en el nivel de análisis desde el sistema hasta sus partes. No pretendemos prejuzgar con ello la posibilidad de que en el caso de Aplysia pudiese hablarse de reduccionismo explicativo o incluso de teoría (Churchland, 1986; Dudai, 1989; Nagel, 1961). xi
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estrategia presenta un riesgo, ya que podría revelarse irrelevante a nivel psicológico el tipo particular de plasticidad sináptica que se haya elegido estudiar. Sin embargo, también presenta varias ventajas. En primer lugar, hay muy pocas formas de plasticidad sináptica bien conocidas, con lo que merece la pena aceptar el riesgo. En cambio, son múltiples las formas de aprendizaje, por simple que éste sea, con que nos podemos encontrar en diferentes especies. Además, parece más fácil el camino que lleva desde una forma elegida de plasticidad hasta sus posibles implicaciones psicológicas que el que lleva de una forma bien conocida de aprendizaje hasta los mecanismos biológicos que la sustentan. Por otro lado, como psicólogos es fácil que tengamos más que decir en una estrategia de investigación que vaya del nivel biológico al psicológico que al revés. En la estrategia inversa el trabajo psicológico consistiría en elegir una forma de aprendizaje, y aun esto estaría constreñido, como hemos visto, por las demandas de simplicidad que debería tener el circuito neuronal. Por último, y quizás más importante, esta estrategia permite con mayor facilidad una comunicación bidireccional entre los científicos a niveles de explicación diferentes: desde el nivel bioquímico hasta el psicológico. Y esto porque el hecho de que el punto de referencia sea la plasticidad sináptica -y la neurona y la sinapsis en definitiva-, idea aceptada y respetada por toda la comunidad científica, tiende un puente entre los científicos situados en los niveles superiores de la explicación (cognitivo o psicológico) y los situados en los niveles inferiores de la misma (bioquímico o molecular). En definitiva, establece un marco óptimo para que la comunicación entre los niveles de explicación que Marr (1982) propuso -computacional, algorítmico e implementacional- pueda establecerse. Más adelante desarrollaremos esta idea en relación al conexionismo. Es esta segunda estrategia la seguida para el estudio de la implicación de la PLP en el aprendizaje y la memoria. Además de ser una forma de plasticidad sináptica bien conocida, condición necesaria para que pueda aplicarse la estrategia, esta forma de plasticidad posee un conjunto de características funcionales que, ya a nivel teórico, llevan a sugerir su implicación en el aprendizaje asociativo. En concreto, la PLP es dependiente del receptor NMDA (un tipo de receptor de aminoácidos excitatorios), y la activación de este receptor obedece al algoritmo propuesto por Hebb y Konorski para el incremento en la fuerza de conexión entre dos unidades. En los capítulos III y IV se expondrán los resultados de la aplicación de esta estrategia al estudio de la PLP. En nuestro estudio empírico se utiliza ketamina, un fármaco elegido por impedir el establecimiento de PLP merced a su antagonismo sobre los receptores NMDA y se prueba el efecto de su administración previa sobre una tarea de 374
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condicionamiento clásico. Por lo tanto, nuestro trabajo se sitúa dentro de esta estrategia, partiendo de esta forma de plasticidad sináptica y estudiando su implicación a nivel psicológico.
3. Conexionismo y plasticidad sináptica En los últimos años, viene produciéndose una convergencia de intereses entre diferentes disciplinas en torno al funcionamiento del cerebro y la mente, tradicionalmente objeto de estudio de neurobiólogos y psicólogos. Lingüistas, filósofos, informáticos, bioquímicos, e incluso físicos y matemáticos muestran en la actualidad su interés por estos temas y con frecuencia integran equipos de investigación multidisciplinares sobre los mismos. Dos ejemplos de esta convergencia interdisciplinar es el surgimiento de nuevos campos de estudio más amplios, agrupados bajo el nombre de ciencias cognitivas y de neurociencias. Aunque tanto las ciencias cognitivas como las neurociencias han experimentado un extraordinario avance durante las últimas décadas, sus caminos han sido distintos y la comunicación entre ambas ha sido escasa. Los neurobiólogos se ocupaban del cerebro y los psicólogos de la mente, un dualismo encubierto que, sin duda, no ha beneficiado al conocimento ni del cerebro ni de la mente. Por un lado, para el neurobiólogo o el neurocientífico descifrar la capacidad funcional del cerebro mirando para ello en su interior es afrontar la empresa con una cortedad de miras que no palia el microscopio. Por otro, con la revolución cognitiva el psicólogo o el científico cognitivo se ha aficionado a elaborar programas que simulan la resolución de una determinada tarea. El problema surge a la hora de elegir entre diversos programas funcionalmente equivalentes: ¿cuál de los posibles es el que ejecuta nuestra mente? La necesidad de encontrar un marco común en el que neurocientíficos y científicos cognitivos se impogan restricciones mutuas se hace patente. Últimamente, se está produciendo un acercamiento entre ambas disciplinas, motivado por el convencimiento de los neurocientíficos de que el funcionamiento del sistema nervioso no puede entenderse al margen del conocimiento de su capacidad funcional, y por el interés de los científicos de la cognición en la arquitectura y dinámica del sistema nervioso ante una triple evidencia. Por un lado, la dificultad mecionada de elegir entre programas funcionalmente equivalentes. Por otro, la dificultad de sus modelos para simular correctamente la cognición humana, con sus sesgos y peculiaridades. En tercer lugar, la dificultad, incluso imposibilidad, para construir sistemas de inteligencia artificial tan potentes como el cerebro, xi
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incluso para determinadas tareas tan simples para un ser vivo como la percepción. Este mutuo interés y acercamiento ha encontrado un marco esperanzador en el desarrollo durante la década pasada de modelos agrupados bajo las etiquetas de conexionismo, procesamiento distribuido y paralelo (PDP), o redes neuronales (Ballard, 1986; Hinton y Anderson, 1981; McClelland, Rumelhart y el grupo de investigación PDP, 1986; Rumelhart, MClelland y el grupo de investigación PDP, 1986). La idea, no obstante, no es nueva, aunque parece haber llegado en el momento oportuno. Las formulaciones pioneras de McCulloch y Pitts (1943) sobre las propiedades lógicas de las redes neuronales no encontraron el terreno abonado para su expansión. Sin duda, los últimos avances sobre el papel de la plasticidad sináptica en el aprendizaje y la memoria son, en parte, responsables de la buena acogida que, en la actualidad, han tenido los modelos conexionistas. Así, en esta encrucijada de interdisciplinariedad que ha supuesto el surgimiento de las ciencias cognitivas y las neurociencias, el conexionismo se ha establecido como un puente entre ambas. La situación ha cambiado cualitativamente, y ha llegado a ser calificada como un cambio de paradigma (Schneider, 1987). El conexionismo establece un lenguaje común para científicos cognitivos y neurocientíficos y pensamos que es ésta una de sus más prometedoras cualidades. Vamos a ver en qué consiste este lenguaje común.
3.1. Arquitectura conexionista y arquitectura cerebral Un breve repaso a los supuestos fundamentales de los modelos conexionistas muestra la relación entre su arquitectura y la del sistema nervioso. El isomorfismo arquitectónico que se aprecia tiene importantes implicaciones en el estudio de los procesos cognitivos básicos y en el abordaje de estos procesos desde una perspectiva neurobiológica. La PLP adquiere un significado especial dentro de este marco, constituyéndose como un fenómeno de plasticidad sináptica que a nivel neuronal opera según la regla de Hebb, regla de aprendizaje utilizada en algunos modelos conexionistas. Vamos a describir brevemente la analogía entre las redes neuronales y las auténticas redes de neuronas, mostrando el lugar que en estas redes tendrían algunos conceptos básicos de psicología cognitiva, como la representación, la memoria o el aprendizaje.
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3.1.1. Características generales de los modelos conexionistas Siguiendo a Rumelhart, Hinton y McClelland (1986), ocho son los principales elementos de cualquier modelo de procesamiento distribuido en paralelo: 1. Un conjunto de unidades de procesamiento. 2. Un estado de activación. 3. Una función de salida para cada una de las unidades. 4. Un patrón de conexión entre las unidades. 5. Una regla de propagación para propagar la activación a través de la red de conexiones. 6. Una regla de activación que calcule nuevos niveles de activación para cada unidad a partir de las entradas que recibe de otras unidades y de su estado previo de activación. 7. Una regla de aprendizaje para modificar los patrones de conexión entre las unidades como resultado de la experiencia. 8. Un entorno dentro del cual opera el sistema. La arquitectura común a cualquier modelo conexionista consiste en una multitud de unidades conectadas entre sí. Cada una de las unidades constituyen simples procesadores con un estado de activación determinado, a las que llegan, por medio de las conexiones, la información de otras unidades o del entorno y que mandan información, a su vez, a otras unidades o al entorno. Con el conjunto de entradas que llega a una unidad se realiza algún tipo de operación -por ejemplo aditiva, aunque no necesariamente- y el valor resultante en combinación con el estado de activación previo producen el nuevo estado de activación, que es utilizado para producir un valor de salida de la unidad. La unidad manda entonces un impulso de salida, que es una función de su estado de activación, a otras unidades por medio de las conexiones que las unen. Un aspecto importante es que diferentes conexiones pueden tener diferentes fuerzas, pesos, que son modificables por la experiencia, de modo que la entrada que le llegue a una unidad depende tanto del estado de activación de la unidad que manda la señal como de la fuerza de conexión entre las dos unidades. Asimismo, los pesos de las conexiones entre unidades pueden ser positivos o negativos, de modo que una entrada particular a una unidad puede colaborar a su estado de activación excitándola o inhibiéndola, dependiendo del signo del peso. Los modelos conexionistas tienen habitualmente tres tipos de unidades: 1) unidades de entrada, que reciben su input del entorno; 2) unidades ocultas, que reciben su input de las unidades de entrada; y 3) unidades de salida, que reciben su input de las unidades ocultas y que representan la salida del sistema. xi
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El conjunto de pesos que unen a las unidades en un momento del tiempo es el patrón de conexiones, y la forma en que este patrón se ve afectado por la estimulación está regulado por una regla de propagación. Asimismo, el grado en que este patrón cambia o se modifica en función de esta actividad está regulado por una regla de aprendizaje. La regla de aprendizaje tiene una gran importancia en la modelización conexionista, ya que de ella depende el ajuste de pesos entre las unidades de la red y, por tanto, la dinámica y el funcionamiento de la red. Sin las reglas de aprendizaje, las redes quedarían imposibilitadas para modificar la fuerza de las conexiones entre sus unidades y, por tanto, serían redes estáticas, incapaces de aprender. De esta forma, el trabajo de procesamiento de una unidad es simple: recibe entradas de información de unas unidades, que computa para cambiar su estado de activación, y manda una salida a otras unidades. El mecanismo básico que emplean estas redes para su funcionamiento es la conexión entre unidades. Las potentes posibilidades computacionales que poseen estos modelos no pueden basarse, por tanto, en las que poseen sus unidades de forma independiente, ni en el mecanimo básico que las relaciona, sino que es consecuencia del procesamiento en paralelo de las unidades que forman la red y de la arquitectura de ésta.
3.1.2. La metáfora del cerebro Vista la caracterización de los modelos conexionistas, la analogía con la estructura del sistema nervioso resulta inmediata. Si a las unidades las llamamos neuronas y a las conexiones entre las unidades sinapsis podríamos estar hablando del sistema nervioso. Las neuronas pueden tener tasas de descarga muy desiguales, que quedarían representadas por el estado de activación diferente de las unidades de la red. Es más, muchas veces la función de activación en cada unidad posee características de umbral, por debajo del cual la unidad no propaga la activación. Esto podría tener igualmente su similitud en el sistema nervioso en el umbral de despolarización necesario para que en una neurona se produzca un impulso nervioso. Asimismo, las neuronas se influyen unas a otras de manera muy diferente, dependiendo del tipo de sinapsis particular. Ésta puede variar tanto en relación a su fuerza como a su signo, pudiendo ser tanto excitatoria como inhibitoria. El tipo de sinapsis particular queda representado en los modelos conexionistas por los pesos de las conexiones. Estos pueden variar tanto en su valor absoluto como en su signo. El valor absoluto estaría representando la fuerza de la conexión sináptica; el signo indicaría si la conexión es excitatoria o inhibitoria. Esta analogía ha llevado a hablar 374
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de un abandono de la metáfora del ordenador, dominante en las últimas décadas en psicología cognitiva, por la metáfora del cerebro como un modelo del funcionamiento mental (Rumelhart, Hinton y McClelland, 1986). Es el cambio radical que esta nueva arquitectura proporciona en cuanto a la capacidad de procesamiento, unido a su plausibilidad biológica, lo que sitúa al conexionismo en una posición ventajosa respecto a la orientación simbólica dominante en las ciencias cognitivas (ver, p. ej., Bechtel y Abrahamsen, 1991). El énfasis en esta metáfora lleva incluso a que los modelos conexionistas tengan un sinónimo en la expresión red neuronal. En este tipo de redes, los patrones de activación de las unidades van experimentando cambios en el tiempo, como resultado de la actividad del sistema. La representación residiría en el estado de activación que tuviera el sistema en un momento determinado, estando distribuida en el estado de activación de cada una de las unidades. La memoria residiría en el patrón de conexiones (pesos) entre las diferentes unidades del sistema, y el aprendizaje en el cambio de las conexiones entre las unidades, que se produce como una consecuencia de la actividad de procesamiento del sistema y la consecuente actualización de pesos según un algoritmo determinado. El algoritmo o regla que siguen las conexiones para cambiar sus pesos es la regla de aprendizaje.
3.2. Nivel de estudio de los modelos conexionistas Los modelos conexionistas, aunque aportan originalidad en cuanto a su arquitectura, inspirada en el sistema nervioso, han heredado los objetivos de las ciencias cognitivas, tanto en la construcción de modelos de funcionamiento cognitivo humano y animal, tradicionalmente objetivo de la psicología cognitiva, como en la de modelos competentes sin los sesgos propios de la cognición humana, tradicionalmente objetivo de la inteligencia artificial. Adicionalmente, son una herramienta cada vez más utilizada por los neurocientíficos. Esta situación hace que puedan distinguirse varios tipos de modelos conexionistas. En un extremo están los modelos realizados por neurocientíficos con escrupuloso respeto al conocimiento procedente del sistema nervioso, y en otro los modelos ingenieriles, en los que se ignora y desestima este conocimiento. A los primeros se les suele llamar modelos realistas por su intento de seguir las restricciones del sistema nervioso. Entre los modelos realistas y los ingenieriles se sitúan los modelos simplificados, en los que se busca un compromiso entre el respeto al conocimiento proveniente del sistema
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nervioso y el poder computacional del modelo. Estas diferencias permiten hablar de una metáfora dura y una metáfora blanda del cerebro.
3.2.1. La metáfora dura y la metáfora blanda Si desde el paradigma del procesamiento de información se ha hablado de metáfora dura y blanda, según el grado de similitud postulado entre mente y ordenador, con los modelos conexionistas y la metáfora del cerebro ocurre algo parecido. Por un lado, algunos investigadores defienden que la arquitectura cerebral es una arquitectura útil para construir simulaciones de procesos cognitivos, y que es interesante que un modelo que funcione correctamente posea tal parecido con el cerebro, pero lo más importante es que funcione bien, aunque para ello se tengan que sacrificar detalles de la metáfora. Sin embargo, otros investigadores afirman que es un error desarrollar modelos con redes de unidades y conexiones de las que se sabe positivamente que tienen características distintas a las neuronas y sinapsis, si con ellas pretendemos explicar los procesos mentales producidos por nuestro cerebro. Estas dos concepciones son conocidas como inspiradas y restringidas neuronalmente (Morris, 1989b) o como modelos de cerebro simplificados y realistas (Sejnowski, Koch y Churchland, 1988). La aproximación restringida o realista en las redes neuronales es más reciente y va surgiendo como una respuesta que manifiesta el rechazo de los neurobiólogos a la modelización simplificada. La resume bien Gardner (1993a) con el título de la introducción a su libro, titulada: Hacia redes neuronales neuronales. No deja de resultar paradójico que el adjetivo neuronal haya perdido su significado hasta el punto que sea necesario adjetivar de nuevo a las redes para enfatizar el parecido de sus elementos con los del sistema nervioso. En los modelos realistas no se usan elementos frecuentes de la modelización simplificada, como la propagación hacia atrás o conexiones que puedan pasar de ser excitatorias a inhibitorias, al no haberse encontrado fenómenos parecidos en el sistema nervioso. Asimismo, intentan incluir en la modelización características neuronales que frecuentemente no son consideradas en las modelizaciones habituales, como son la actividad de los canales de iones o incluso la actividad de enzimas en el proceso de transmisión sináptica (Hawkins, 1989). En general, los modelos realistas están siendo integrados bajo una nueva disciplina conocida como neurociencia computacional (Churchland y Sejnowski, 1992; Gardner, 1993a; Hawkins y Bower, 1989).
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El argumento básico de los defensores de los modelos realistas lo expresa de forma contundente Crick (1989), arremetiendo contra los modeladores de redes artificiales. Según Crick, el escaso interés que, en general, los científicos cognitivos muestran en el contenido real del cerebro se explica porque para ellos el cerebro es demasiado complicado y difícil de comprender. Con frecuencia argumentan que se posee mucha y no muy clara información respecto a los mecanismos de funcionamiento del cerebro y que la labor es aun más complicada si se pretende relacionar esos mecanismos con los procesos cognitivos. Así, si se quieren construir modelos que reflejen con la mayor exactitud los procesos cognitivos superiores resultaría necesario desmarcarse de la complicación cerebral y hacer simplificaciones. Estos últimos serían los argumentos básicos empleados por los defensores de los modelos simplificados de cerebro. Para Crick, este es un camino equivocado. Si el cerebro es realmente tan complicado, nada claro se puede sacar respecto de su funcionamiento si se estudia desde una aproximación simplificada y de caja negra. Hawkins (1989), un estrecho colaborador de Kandel, también se sitúa en esta postura y señala varios aspectos por los que la modelización realista podría resultar de interés. En primer lugar, permitiría una comprobación a nivel neurobiológico de los supuestos de un determinado modelo, lo que permitiría un enriquecimiento mutuo entre la investigación neurobiológica y la cognitiva. La investigación neurobiológica podría servirse de la modelización conexionista como fuente generadora de hipótesis, en busca de fenómenos sugeridos en un determinado modelo. A su vez, la investigación cognitiva podría servirse de la neurobiológica, dado que en muchos casos sólo la investigación neurobiológica puede decidir cuál de los diferentes modelos posibles con resultados similares es el más adecuado, resolviendo así el problema de la equivalencia funcional a partir de la plausibilidad biológica de los modelos. En segundo lugar el sistema nervioso sigue siendo para muchas tareas el dispositivo más potente que se conoce. Así, no resulta extraño que los modelos de redes neuronales hayan tenido éxito al copiar de nuestro cerebro una arquitectura de procesadores funcionando en paralelo, y que este tipo de modelos sea hoy extensamente utilizado en ingeniería para realizar tareas con objetivos que nada tienen que ver con el conocimiento del sistema nervioso. Entonces, ¿por qué no copiar también la estructura detallada de la neurona, del funcionamiento sináptico o la arquitectura concreta de diferentes áreas del cerebro? La modelización realista de diferentes estructuras cerebrales obliga a un esfuerzo para operacionalizar a nivel algorítmico las ideas formuladas a nivel cualitativo sobre el funcionamiento de esas estructuras del cual se enriquecen tanto científicos cognitivos como xi
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neurocientíficos. Ya se han desarrollado modelos de funcionamiento del hipocampo (Berger et al., 1993; Levy, 1989; Rolls, 1989), la corteza visual (Wang, Mathur y Koch, 1990, Sejnowski y Nowlan, 1995), la corteza olfatoria (Granger y Lynch, 1989), el cerebelo (Gluck, Reifsnider y Thompson, 1990) o la corteza prefrontal (Changeaux y Dehaene, 1993). Son, sin embargo, los modelos simplificados los más habituales y los que han dado su actual popularidad al conexionismo. Los desarrollados por Rumelhart, McClelland y el grupo de investigación PDP se encuadran entre éstos. La defensa básica de la utilización de modelos de cerebro simplificados se realiza desde la ciencia cognitiva. McClelland, Rumelhart y Hinton (1986) lo dejan claro en el capítulo introductorio a sus dos volúmenes: "Nosotros somos, después de todo, científicos cognitivos, y los modelos PDP llegan a nosotros por razones psicológicas y de computación." (p.11). Se trata, por tanto, de una cuestión de objetivos. No obstante, hay una gran diferencia entre los modeladores de redes neuronales y otros científicos cognitivos, que no conviene minimizar. Los creadores de redes neuronales, aun las simplificadas, dan una gran importancia al parecido de éstas con el sistema nervioso, mostrándose sensibles, hasta el límite que permitan los criterios psicológicos y computacionales, con la información proveniente de él (Rumelhart y McClelland, 1986; Bechtel y Abrahamsen, 1991). A pesar de que, en general, los neurocientíficos son detractores de los modelos simplificados, también hay defensores de la utilidad de estos modelos por parte de científicos comprometidos con la neurociencia (p. ej., Sejnowski, Koch y Churchland, 1988). Un argumento empleado por estos autores es que el sistema nervioso tiene múltiples niveles de organización, cada uno con sus propiedades, desde el nivel molecular hasta el de conexiones entre los grandes núcleos encefálicos. Cada uno de estos niveles presenta un conjunto de propiedades particulares, de forma que los niveles superiores pueden exhibir propiedades que no estén presentes en los niveles más bajos. Las propiedades de los niveles superiores podrían ser más fácilmente simulables en modelos simplificados que en modelos realistas. De hecho, estos modelos conexionistas empiezan a extenderse en la investigación neuropsicológica. Para este propósito, la construcción de modelos que simulan adecuadamente procesos cognitivos superiores es sólo la primera parte del trabajo. Posteriormente se aprovecha una característica que los modelos conexionistas comparten con el cerebro, la degradación armónica (graceful degradation) tras una lesión. Como el cerebro, cuando los modelos conexionistas son dañados, la ejecución en la tarea sólo queda perjudicada parcialmente, en lugar de perderse completamente. El deterioro en la ejecución es proporcional al número 374
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de unidades y conexiones dañadas. Así, la segunda parte de esta modelización neuropsicológica consiste en comparar la ejecución del modelo, dañado en algún lugar concreto de su arquitectura, con la de pacientes con problemas neuropsicológicos. Esta forma de investigación está arrojando muchos datos importantes, con frecuencia contraintuitivos, sobre la explicación de problemas neuropsicológicos (Farah, 1994; Plaut y Shallice 1994; Virasoro, 1993). En este punto, podemos recordar y extender el argumento expuesto en el apartado anterior, al hacer referencia a la estrategia que conduce del nivel fisiológico al psicológico. Allí decíamos que el hecho de tomar como punto de partida la sinapsis y la neurona establece un puente para la comunicación entre los científicos comprometidos con el nivel psicológico y los comprometidos con el nivel neurobiológico. En la modelización conexionista ocurre igual, aunque en este caso el punto de partida aceptado y respetado por científicos de uno y otro ámbito es el marco conexionista. Y esto porque, en definitiva, los elementos básicos de estos modelos son las unidades y sus conexiones que, como hemos visto, representan a las neuronas y las sinapsis. Sin duda, los psicólogos se sentirán más cómodos con modelos simplificados y los neurobiólogos con modelos realistas, pero la puerta para la comunicación está abierta merced al lenguaje común que supone el conexionismo. En un nivel distinto a los modelos simplificados y realistas situaríamos a los modelos ingenieriles que, utilizando una arquitectura de procesamiento distribuida y en paralelo, tienen como objetivo confeccionar sistemas inteligentes, útiles para algún propósito, con despreocupación del grado de similaridad que tengan con el funcionamiento del cerebro. En este punto nos sumamos a las palabras de Crick (1989): Construir una máquina que funcione (como un ordenador en paralelo) es un problema de ingeniería. La ingeniería está, con frecuencia, basada en la ciencia, pero su objetivo es diferente. Una buena obra de ingeniería es una máquina que haga algo útil. Comprender el cerebro es, por otro lado, un problema científico. El cerebro ha llegado hasta nosotros como el producto de una larga evolución. (p. 337).
Aunque Crick realiza esta afirmación en relación a cualquier modelo que no sea realista, nosotros pensamos que es necesario distinguir entre los modelos simplificados y los ingenieriles. Creemos que si los modelos realistas tratan con problemas científicos, los simplificados también. Los modelos simplificados son necesarios, e incluso previos para la confección de modelos realistas. Como desarrollamos en el siguiente apartado, unos modelos y otros se situarían en lugares diferentes entre los niveles algorítmico e implementacional de Marr (1982) y Marr xi
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ya sugirió que el mejor camino en la explicación científica es resolver primero el problema a nivel algorítmico antes de proceder a hacerlo a nivel implementacional. En todo caso, la modelización simplificada no debe olvidar la advertencia de Crick -no estamos interesados en saber cómo el cerebro podría funcionar, sino cómo lo hace en realidad- para que modelos simplificados y realistas traten con el mismo problema, el de la explicación de cómo las funciones mentales surgen del funcionamento del cerebro.
3.2.2. Posición de los modelos conexionistas en los niveles de explicación de Marr David Marr (1982) defendió la existencia de tres niveles para la explicación de un sistema de procesamiento de información: computacional, algorítmico e implementacional. El nivel computacional hace referencia al tipo de función que el sistema realiza. A este nivel, un tipo de tarea se caracteriza por su objetivo, la función que realiza, sin importar los procesos. El nivel algorítmico es el que tiene que ver con los procesos. Una misma tarea puede ser resuelta siguiendo diferentes procesos o algoritmos. Es éste el nivel de discusión propio de la psicología (las diferentes teorías explicativas de una tarea como el condicionamiento clásico, por ejemplo). Por último, el nivel implementacional hace referencia al sustrato físico sobre el que los algoritmos se llevan a cabo. A este nivel se situaría la neurobiología del aprendizaje y la memoria. Según Marr, estos niveles tienen una secuenciación en la resolución de un problema. En primer lugar, es necesario identificar la función que realiza el sistema, resolver la tarea a nivel computacional. Una vez respondido qué hace el sistema, la siguiente cuestión es identificar los procesos o algoritmos que lleva a cabo el sistema para resolver la tarea. Esta es la tarea a nivel algorítmico. Por último, conociendo el algoritmo, la última cuestión es identificar el mecanismo en el que físicamente puede llevarse a cabo. Los tres niveles gozan de autonomía, aunque no completa. Por ejemplo, aunque hay un nivel propio de discusión psicológico, hay restricciones provenientes del nivel computacional -una teoría debe desempeñar correctamente la función para la que ha sido pensada- e implementacional -debe poder ser ejecutada por nuestro cerebro-. Aunque lo normal es que el debate científico se dé dentro de un nivel, la comunicación entre niveles es necesaria y útil, pues los diferentes niveles están relacionados lógica y causalmente (Marr, 1982). Los modelos conexionistas, en su formulación simplificada se situarían en el nivel algorítmico, aunque, sin duda, más cercanos al nivel implementacional que 374
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otras conceptualizaciones propias del nivel algorítmico, como las que se desarrollaron desde el enfoque computacional de la mente que impulsó la revolución cognitiva. Los modelos realistas estarían tan comprometidos con el nivel algorítmico como con el nivel implementacional, dado que, por un lado, utilizan algoritmos para resolver la tarea para la cual han sido diseñados y, por otro, introducen en los algoritmos las restricciones provenientes de la máquina donde se llevan a cabo. La cooperación entre los distintos niveles era vista por Marr como un elemento imprescindible para el desarrollo tanto de neurociencias como de ciencias cognitivas. Pensamos que esta colaboración encuentra un marco óptimo en los modelos conexionistas, que aportan un lenguaje común a los niveles algorítmico e implementacional. Por su compromiso con la arquitectura del sistema nervioso, tanto los modelos simplificados como los realistas se sitúan entre el nivel algorítmico y el nivel implementacional, ocupando posiciones diferentes en el espacio que los separa. El conexionismo ha venido a reducir las distancias entre ambos niveles de explicación propuestos por Marr. La colaboración entre los niveles algorítmicos e implementacional a través de los modelos conexionistas se produce en las dos direcciones: el nivel algorítmico se beneficia del nivel implementacional y viceversa. El nivel algorítmico puede encontrar soluciones derivadas del conocimiento proveniente del nivel implementacional. Ya hemos comentado que, con frecuencia, los modeladores se encuentran con algoritmos alternativos para una misma función, que, sin embargo, tienen diferentes consecuencias a nivel implementacional. El conocimiento neurobiológico, en este caso, debe decidir cuál de las diferentes formas de implementación es consistente con el conocimiento del sistema nervioso, y así cuál de los algoritmos alternativos es más adecuado. En esta misma línea argumental, es posible que las posibilidades de procesamiento del cerebro dependan de características peculiares de la transmisión de información sináptica que queden fuera de los modelos simplificados. En este caso, la información neurobiológica sería muy relevante para la creación de redes neuronales con la capacidad computacional necesaria para dar cuenta de determinados procesos. El nivel implementacional se convertiría en una fuente de hipótesis utilizables a nivel algorítmico. En realidad, ya hemos visto un ejemplo concreto de conocimiento obtenido a nivel implementacional directamente aplicable a nivel algorítmico. Vimos que el mecanismo de plasticidad sináptica responsable del condicionamiento clásico en Aplysia era la facilitación activodependiente de la actividad presináptica, a lo que xi
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llamamos sinapsis tipo Kandel. Además de ser un mecanismo de plasticidad sináptica descubierto en el sistema nervioso, la sinapsis tipo Kandel especifica las condiciones de actividad necesarias entre varias neuronas para que la eficacia sináptica se vea modificada. Esta idea es directamente formalizable como una regla de aprendizaje, al igual que la regla de Hebb o la regla delta. Los modeladores de redes conexionistas podrían utilizar esta regla en sus modelos, simplificados y realistas, y explorar sus posibilidades computacionales. Por supuesto, la modelización conexionista puede también inspirar la investigación neurobiológica. Los algoritmos desarrollados por estos modelos se basan en determinados supuestos sobre la naturaleza de las neuronas y sinapsis que, con frecuencia, se sabe que son falsos. Pero, también, con frecuencia simplemente no se conocen mecanismos similares en el sistema nervioso. En este sentido, los modelos conexionistas proporcionan nuevas líneas de investigación, al sugerir diferentes maneras en que el sistema nervioso podría funcionar y derivar nuevas predicciones. Un ejemplo de esto es la propagación de la actividad hacia atrás en las redes conexionistas. Aunque es bien conocido que las neuronas propagan su activación sólo en una dirección, la potencia computacional de la propagación hacia atrás ha hecho que los neurobiólogos lleven años buscando tanto un mensajero retrógrado en la neurotransmisión como mecanismos alternativos que puedan dar cuenta del flujo de información hacia atrás en las sinapsis, y de hecho, ya se han encontrado algunas evidencias de la existencia de mensajeros retrógrados (ver capítulo III), así como mecanismos alternativos de propagación hacia atrás compatibles con el conocimiento de nuestro sistema nervioso (Gardner, 1993b). En definitiva, dentro de los niveles que Marr vislumbró para el estudio de la cognición, los modelos conexionistas ocupan una posición importante entre los niveles algorítmico e implementacional. De una u otra manera acercan estos dos niveles y se constituyen en un vehículo de relación entre ambos.
3.3. La regla de aprendizaje, la potenciación a largo plazo y el receptor NMDA Aunque desde la perspectiva neurobiológica se asume desde los trabajos de Ramón y Cajal que las sinapsis son la base de la memoria y que la plasticidad sináptica de éstas está en la base del aprendizaje, el homólogo de la plasticidad en los modelos conexionistas, la regla de aprendizaje, es uno de los elementos más críticos de estos modelos, y en particular de la analogía entre éstos y el modo en que opera el sistema nervioso. Existen diferentes reglas de aprendizaje utilizadas en los 374
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modelos conexionistas, siendo las más comunes la regla delta y la regla de Hebb. La regla delta fue descrita por primera vez por Widrow y Hoff (1960), y es formalmente equivalente a la regla de Rescorla y Wagner (1972) asumiendo ciertos supuestos (Sutton y Barto, 1981). Lo que la regla delta hace es computar un error -entre el estado de activación que efectivamente tienen las unidades de salida y el que deberían tener según una retroalimentación correctora (teaching input) aplicada a esas unidades-. La regla delta va acompañada habitualmente -cuando la red tiene unidades ocultas, que es lo más común- de la propagación del error hacia las unidades previas -unidades ocultas y de entrada- de manera que se actualicen los pesos entre las unidades con objeto de minimizar el error. Esta generalización de la regla delta recibe el nombre de regla de propagación hacia atrás. Ya hemos adelantado que la regla de propagación hacia atrás presenta problemas de plausibilidad biológica. Ni se conocen mecanismos en el sistema nervioso que computen errores, ni mecanismos que propaguen la activación hacia atrás, ni mecanismos que actúen a modo de retroalimentación correctora (Gardner, 1993b). Otra regla utilizada en la modelización conexionista es la regla de Hebb, que ya expusimos en la primera parte del capítulo. La regla de Hebb, a diferencia de la regla delta, no posee problemas de plausibilidad biológica. Además, posee una característica fundamental, y raramente destacada. La regla de Hebb implica un mecanismo de asociación en tiempo real (Klopf, 1988). La modificación en la eficacia sináptica requiere la coincidencia en el tiempo de la actividad pre- y postsináptica. Un mecanismo así enfatiza la importancia de la relación temporal entre las estimulaciones, supuesto básico del aprendizaje asociativo. Además, la regla de Hebb se acerca así a la noción de mecanismo físico, dado que un mencanismo opera necesariamente en tiempo real. Por contra, para reglas como la propagación hacia atrás el tiempo tiene sólo una dimensión ordinal, en tanto que las entradas, salidas, entradas de retroalimentación correctora y las señales error producidas por el sistema tienen una secuencialidad en su procesamiento por parte de la red. En realidad la propagación hacia atrás es una regla de aprendizaje en un sentido muy diferente a la regla de Hebb. Es, simplemente, una abstracción matemática para optimizar el peso de las conexiones de la red de forma que la función de salida real sea lo más parecida posible a la función de salida deseada. Debe ser considerada más como una herramienta matemática -como la regresión lineal- que como la descripción del funcionamiento de un mecanismo físico (Lockery y Sejnowski, 1993). La regla de Hebb, por tanto, parece estar más cerca de un mecanismo biológico asociativo que realmente posea nuestro sistema nervioso. Es más propio de la modelización realista. Por su parte, la regla de la propagación xi
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hacia atrás, aunque se aleja de un mecanismo plausible en el sistema nervioso, se muestra más potente computacionalmente. Está más cerca de la modelización simplificada. Además de la ventaja que supone la plausibilidad biológica de la regla de Hebb, o quizás por ello, recientemente se ha encontrado una forma de plasticidad sináptica en el hipocampo implicada en el aprendizaje que opera según ese algoritmo. Se trata de la potenciación a largo plazo (PLP). Si bien la regla de Hebb estaba originalmente formulada en términos neurobiológicos, hasta el conocimiento de la PLP no se había identificado un mecanismo isomórfico en el sistema nervioso. Así, su supervivencia hasta nuestros días ha dependido más de la buena aceptación entre psicólogos y estudiosos del aprendizaje del principio funcional que en ella subyace. De hecho, para los psicólogos del aprendizaje, la regla de Hebb es entendida como el fortalecimiento de la conexión entre dos unidades como consecuencia de su activación conjunta. Es, por tanto, el nivel algorítmico el que ha permitido la pervivencia de la regla de Hebb. Así, su extrapolación a las redes neuronales ha sido inmediata, con la forma: el peso de la conexión entre dos unidades puede incrementar o disminuir en proporción directa al producto de sus activaciones (Bechtel y Abrahamsen, 1991). Esto es representado por la función:
wui = au ai, donde el incremento de los pesos de conexión entre las unidades u e i (wui) sería igual al producto de una constante que especifica la cantidad de aprendizaje por cada ensayo (), por la activación de la unidad u (au) y la activación de la unidad i (ai) (otros algoritmos basados en la regla de Hebb pueden encontrarse en Brown, Kairiss y Keenan, 1990; y Sejnowski y Tesauro, 1989). Nótese que la formulación de Bechtel y Abrahamsen de la regla de Hebb considera tanto la posibilidad del aumento como de la disminución de la fuerza de conexión entre dos unidades. Esto es porque Bechtel y Abrahamsen hacen una interpretación correlacional, más que conjuntiva de la regla de Hebb. En realidad, Hebb no dejó claro si el mecanismo que proponía era un mecanismo de conjunción de actividad pre- y postsináptica, o un mecanismo por el que se requiriese una correlación positiva entre ambas actividades (la regla de Hebb hace referencia a que la célula A repetida o persistentemente excita a la célula B). En el primer caso se habla de sinapsis conjuntiva y en el segundo de sinapsis correlacional (Brown, Kairiss y Keenan, 1990). Stent (1973) desarrolló la regla de Hebb a partir de la 374
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concepción correlacional, y extendió consecuentemente la regla para que pudiese dar cuenta de las correlaciones negativas: "Cuando el axón presináptico de una célula A repetida y persistentemente falla para excitar una célula postsináptica B, en tanto que la célula B está disparando bajo la influencia de otros axones presinápticos, tiene lugar algún proceso de crecimiento o cambio metabólico en una o ambas células, de manera que la eficacia de A como una de las células que excita a B disminuye". Esta regla ha sido utilizada en modelos conexionistas, bajo el nombre de regla de la covarianza (Sejnowski, 1977; Sejnowski y Stanton, 1990). Posteriormente se ha encontrado una forma de disminución de la eficacia sináptica que sigue esta extensión de la regla de Hebb. A partir de estudios en los que se pretendía inducir PLP, se observó que aferencias que se mantenían inactivas al tiempo que otras estaban activas en conjunción con las neuronas postsinápticas sufrían una posterior depresión en su eficacia sináptica, en tanto que las que se mantenían activas quedaban potenciadas (Andersen et al., 1977). Esta depresión, al igual que la PLP, es de larga duración, por lo que recibe el nombre de depresión a largo plazo (DLP). Dado que, además de la sinapsis deprimida, interviene otra sinapsis, se habla de DLP heterosináptica. Además de esta DLP, otra forma de DLP ha sido encontrada en el sistema nervioso vertebrado (Ito y Kano, 1982). A diferencia del caso anterior, en éste se produce DLP debido a la activación conjunta del terminal presináptico y postsináptico. En realidad es el mismo requerimiento de la regla de Hebb, y el que produce PLP, sólo que el resultado es el contrario. Esta forma de aplicación de la regla de Hebb es conocida como regla anti-hebbiana (Baxter y Byrne, 1993; Palm, 1982). No obstante, aunque el resultado sea el inverso, el algoritmo que produce la disminución de la fuerza de conexión es el de la regla de Hebb. Conserva, por tanto, sus virtudes: plausibilidad biológica y ser un mecanismo asociativo en tiempo real. Esta forma de DLP es conocida como DLP homosináptica, porque para su desarrollo no interviene ninguna otra sinapsis. PLP y DLP son, pues, formas de plasticidad sináptica que operan bajo un mismo algoritmo, hebbiano, al menos en algunas de sus formas. Recientemente, además, se ha sugerido que el umbral de activación necesario para que se produzca cada tipo de plasticidad sináptica es interdependiente, de forma que existiría cierto equilibrio dinámico esencial para la función que cada forma de plasticidad desempeña en el circuito en el que se halla inmersa (Stanton, 1996). Recapitulando, la regla de Hebb posee una gran ventaja sobre la regla delta, dado que no presenta problemas de plausibilidad biológica y es un dispositivo que opera asociativamente en tiempo real. Posiblemente por ello, se ha encontrado una xi
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forma de plasticidad sináptica que obedece fielmente a las condiciones postuladas por Hebb para el incremento de la eficacia sináptica, la PLP. Además, otras formas de plasticidad sináptica encontrada en vertebrados que dan cuenta de la disminución en la eficacia sináptica (DLP) pueden ser concebidas como extensiones de la regla de Hebb. Sin duda, la razón por la que la regla delta, y más concretamente la regla de propagación hacia atrás es preferida a la de Hebb en la modelización no tiene que ver con su plausibilidad biológica, sino con la potencia computacional que aquélla posee. Sin embargo, esto también está cambiando. Los modeladores están haciendo un esfuerzo por dotar al mecanismo básico postulado por Hebb de mayor potencia computacional, y empiezan a desarrollarse modelos que, empleando la regla de Hebb, y basados en la arquitectura y funcionamiento de máquinas de Boltzmann deterministas (Hinton, 1989), están consiguiendo resultados similares a la regla de propagación hacia atrás (Plaut y Shallice, 1994). Respecto a formas de plasticidad que supongan un incremento de la eficacia sináptica de larga duración, las únicas formas de plasticidad encontradas en el sistema nervioso que requieren una relación temporal específica entre la activación de dos neuronas son la ya comentada facilitación activodependiente de la actividad presináptica, descubierta en Aplysia, y la PLP. La PLP es, por su parte, la única descubierta en el sistema nervioso vertebrado. Además, el hecho de haber sido descubierta en el hipocampo, la estructura cerebral más relacionada con el aprendizaje y la memoria, hacen de ella una forma de plasticidad ideal para ser implicada en estos procesos. Dado que los modelos conexionistas operan a través de asociaciones, desde el descubrimiento de la PLP la regla de Hebb posee un atractivo adicional para la modelización conexionista. Simétricamente, la PLP tiene un valor adicional al de ser una forma de plasticidad sináptica implicada en el aprendizaje por el hecho de operar bajo el algoritmo propuesto por Hebb. La PLP posee un conjunto de características que, a nivel teórico, resultan muy sugerentes para ser considerada como un mecanismo de plasticidad sináptica implicado en procesos de aprendizaje asociativo en el cerebro de los vertebrados (capítulo III). Desde el punto de vista de las relaciones entre el nivel algorítmico y el nivel implementacional la más llamativa de estas características es que la producción de PLP depende de la activación conjunta del terminal presináptico y postsináptico. Esta asociatividad hebbiana que caracteriza a la PLP se explica por las características de una molécula, el receptor NMDA (un tipo de receptor de aminoácidos excitatorios), del cual depende la producción de PLP (recordemos que, similarmente, la asociatividad de la facilitación activodependiente de la actividad presináptica durante el condicionamiento clásico en Aplysia dependía de las 374
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propiedades de otra molécula, la adenilciclasa). El receptor NMDA no se activa con el disparo de la neurona presináptica, como es habitual en los receptores postsinápticos, sino que requiere que la llegada de neurotransmisor del terminal presináptico coindida en el tiempo con una despolarización de cierta magnitud en la neurona postsináptica7 (capítulo III). Como acabamos de describir, éste es el requerimiento básico de la regla de Hebb. Así, la PLP y el receptor NMDA pueden concebirse como una forma de plasticidad sináptica y como el mecanismo que la posibilita, respectivamente, que acercan las redes neuronales a las verdaderas redes de neuronas allí donde en la metáfora se encuentran más alejadas: en la regla de aprendizaje. En el próximo capítulo estudiaremos el receptor NMDA y en el siguiente la PLP y su relación con el aprendizaje y la memoria.
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El potencial de acción es el disparo de una neurona (presináptica). En la neurona postsináptica, despolarización es equivalente a excitación e hiperpolarización equivalente a inhibición.
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CAPÍTULO II. EL RECEPTOR NMDA Y SU ANTAGONISTA NO COMPETITIVO KETAMINA 1. El receptor NMDA 1.1. Tipos de receptores de aminoácidos excitatorios 1.2. Caracterización del receptor NMDA 1.2.1. Distribución y estructura del receptor NMDA 1.2.2. Propiedades del receptor NMDA 1.2.2.1. El efecto del Mg2+ 1.2.2.2. El canal de Ca2+ 1.2.2.3. Modulación por glicina 1.2.2.4. Antagonistas competitivos 1.2.2.5. Antagonistas no competitivos
2. La ketamina 2.1. La ketamina como antagonista del receptor NMDA 2.2. Farmacodinámica de los efectos conductuales de la ketamina 2.3. El efecto de la ketamina sobre la potenciación a largo plazo 2.4. Otros efectos de la ketamina
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Capítulo II El receptor NMDA y su antagonista no competitivo ketamina
1. El receptor NMDA 1.1. Tipos de receptores de aminoácidos excitatorios Establecer una clasificación simple de los receptores de aminoácidos excitatorios (AAE) es difícil, debido a la gran evolución que estas clasificaciones han tenido desde el descubrimiento de estas sustancias como neurotransmisores. De hecho, desde finales de los ochenta se ha producido una revolución en la clasificación tradicional, como consecuencia del cambio de nomenclatura de los receptores quisqualato a receptores AMPA y del descubrimiento de los receptores metabotrópicos. Esto hace que unas categorías estén muy bien asentadas (p. ej., receptores NMDA), en tanto que de otras todavía se esperen cambios. Por esto hemos preferido hacer un pequeño repaso de esta evolución, que pueda dar una idea de la estabilidad de cada uno de los tipos de receptores de AAE, más que una clasificación intemporal. La función de los aminoácidos excitatorios como neurotransmisores se conoce desde la década de los cincuenta. Los primeros descubrimientos implicaron a dos aminoácidos, L-glutamato y L-aspartato, y mostraron, en primer lugar, un efecto convulsivo de estos AAEs en el cerebro (Hayashi, 1954) y posteriormente un más preciso efecto despolarizador, y consecuentemente excitatorio, en neuronas
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individuales del sistema nervioso central (SNC) (Curtis, Phillis y Watkins, 1959). En la actualidad, aunque se conocen más de cien AAEs, el glutamato es el más importante de todos ellos, siendo el neurotransmisor excitatorio más extendido en el SNC (Watkins, Krogsgaard-Larsen y Honoré, 1990). En todos estos aminoácidos, es frecuente que el isómero L sea más potente que el isómero D 8. En adelante, si no se hace referencia a lo contrario, al mencionar el glutamato o el aspartato se hará referencia al isómero L9. Descubierto el neurotransmisor, el siguiente paso es descubrir el receptor. El primer indicio de que podían existir más de un tipo de receptor para los AAEs fue el descubrimiento de que el L-glutamato excitaba con diferente potencia en relación a otros AAEs en función de la región del tálamo en que se suministraran (McLennan, Huffman y Marshall, 1968). Posteriormente, Duggan (1974) encontró que el Laspartato y el L-glutamato tenían diferente eficacia para excitar neuronas dependiendo del lugar de la médula espinal en que se probaran. Estas observaciones sugirieron la posibilidad de que diferentes AAEs actuaran sobre diferentes receptores, que estarían distribuidos de manera distinta en el SNC. La estrategia común en la búsqueda del receptor responsable de la acción de un neurotransmisor suele conllevar varios pasos. El primero es la búsqueda de otras sustancias que activen (agonista) la acción de ese receptor mediante su unión a él al poseer propiedades estereoespecíficas similares a las del neurotransmisor. En la identificación del receptor es también importante encontrar sustancias que bloqueen la acción del receptor, bien porque ocupan el mismo lugar al cual el transmisor debería acoplarse (antagonista competitivo), bien actuando por otros mecanismos (antagonista no competitivo). Por último, la interacción de agonistas y antagonistas juega un papel fundamental en la identificación del receptor. Respecto a la identificación de receptores de AAEs, McCullock, Johnston, Game y Curtis (1974) propusieron que si realmente existían diferentes receptores para diferentes AAEs, sustancias que fueran conformacionalmente más restringidas que el glutamato y el aspartato deberían interaccionar más específicamente con el receptor. En definitiva, plantearon una búsqueda de agonistas para estos receptores.
8 Dos compuestos son isómeros cuando tienen la misma composición molecular, y se diferencian por el orden en el que están dispuestos los átomos o por la distribución que éstos tienen en el espacio. Esta última forma de isomería, llamada estereoisomería, es la que explica la diferente capacidad de dos isómeros para unirse a un receptor. 9 Esta terminología obedece a una notación estereoquímica en desuso. En la moderna notación, la forma L se corresponde con (S) y la forma D con (R), aunque esta correspondencia no es perfecta (Jane, Olverman y Watkins, 1994). Nosotros utilizamos la notación antigua, por corresponderse con la utilizada en la mayoría de los trabajos que citamos sobre aprendizaje y potenciación a largo plazo. 374
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Bajo esta lógica, McCullock y colaboradores utilizaron dos aminoácidos que habían sido sintetizados recientemente y probaron su efectividad para excitar dos zonas de la médula espinal donde el glutamato y el aspartato habían mostrado tener diferente eficacia. Estas sustancias fueron un análogo del aspartato que había sido sintetizado recientemente (Watkins, 1962), el ácido N-Methyl-D-aspartate (NMDA), y más concretamente su forma ácida, el ácido N-methyl-D-aspártico, y el ácido kaínico. Según el trabajo de Watkins, el NMDA mostró ser hasta 100 veces más potente que el glutamato. Las diferencias de excitación en estas zonas ante la aplicación de kainato y de NMDA fueron mayores que las que se habían encontrado entre glutamato y aspartato. Esto daba apoyo a la idea de que existían dos tipos de receptores, que mostraban preferencia por kainato y por NMDA. Muy poco después un tercer aminoácido, el ácido quisquálico, entró en escena. Shinozaki y Shibuya (1976) mostraron que en la unión neuromuscular de insectos, el quisqualato era más potente que el kainato, en tanto que en el SNC de los mamíferos tenían igual potencia. Esto sugería un tercer tipo de receptor, que se distribuía de manera diferente en la unión neuromuscular de insectos y en el SNC de mamíferos. También en esas fechas comenzaron a surgir evidencias de diferentes respuestas a antagonistas. Sirva como ejemplo que Haldemann y McLennan (1972) mostraron que el antagonista ester dietil ácido L-glutámico (GDEE) era más eficaz antagonizando las respuestas al glutamato que al aspartato, de nuevo sugiriendo que estas respuestas estaban mediadas por receptores diferentes. El conjunto de evidencias que se fue acumulando con agonistas y antagonistas sugería de manera clara la existencia de diferentes tipos de receptores. No obstante, la primera separación clara entre receptores de AAEs no surgió hasta que se probaron varios antagonistas en presencia de diferentes agonistas. Concretamente, se probaron tres tipos de antagonistas: Mg2+ y otros cationes divalentes, análogos al D-glutamato como el D--aminoadipato (D-AA) y el antagonista 3-amino-1-hydroxypyrrolidona (HA-966). Estas sustancias ya habían mostrado ser capaces de antagonizar los efectos del glutamato y el aspartato (p.ej., Davies y Watkins, 1972). Lo que realmente resultó novedoso fue su aplicación junto a los tres agonistas descritos: NMDA, kainato y quisqualato. El patrón de resultados producido por estos tres grupos de antagonistas ante las respuestas producidas por los agonistas fue prácticamente idéntico: una potente depresión de las respuestas elicitadas por NMDA y una prácticamente ausencia de efecto ante las respuestas generadas por kainato y quisqualato (p. ej., Davies y Watkins, 1977; Biscoe, Davies, Dray et al., 1977; ver Watkins et al., 1990; y Watkins, 1994, para una exposición completa de estos resultados). Debido a la especificidad que mostraban las respuestas al agonista xi
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NMDA para ser antagonizadas por los antagonistas citados, las respuestas al NMDA que fueron suprimidas por los antagonistas se consideraron mediadas por receptores NMDA. Las respuestas a los agonistas kainato y quisqualato se consideraron mediadas por receptores distintos al NMDA. Así, la primera división entre receptores de AAEs fue, a finales de los años 70, entre receptores NMDA y receptores no-NMDA. Poco tiempo después los receptores no-NMDA se dividieron en receptores kainato y quisqualato. Así, la clasificación más clásica de receptores de AAEs comprende estas tres categorías: receptores NMDA, kainato y quisqualato. Como hemos visto, los aminoácidos quisqualato y kainato habían mostrado tener potencias diferentes para producir respuestas dependiendo del tejido en el que se administraran (Biscoe et al., 1976). Asimismo, y siguiendo la estratagia que sirvió para la separación entre receptores NMDA y no-NMDA, las respuestas generadas por el quisqualato y el kainato fueron sensibles en grados diferentes a la acción de diversos antagonistas (Watkins y Evans, 1981). No obstante, estas diferencias fueron más débiles y menos fiables que en el caso anterior. Además, estudios sobre los lugares de unión de estos agonistas mostraron que el quisqualato no es un agonista específico para un tipo de receptor, mostrando también afinidad por los receptores kainato (Foster y Fagg, 1984). Así, la división, dentro de los receptores no-NMDA, entre receptores kainato y quisqualato ha sido, y es, más controvertida. Algunos autores, incluso mantienen en la actualidad una clasificación provisional que considere tan sólo a los receptores NMDA y a los no-NMDA (Salt, 1994). Más recientemente, un análogo del quisqualato, el -amino-3-hydroxy-5methyl-4-isoxazolepropionate (AMPA) ha venido a cubrir el puesto del quisqualato, mostrando una menor afinidad que éste por los lugares de unión del kainato (Krogsgaard-Larsen, Honoré, Hansen et al., 1980). Este aminoácido ha dado nombre al receptor, que muestra mayor afinidad por el AMPA que por el quisqualato, y recientemente se ha propuesto el cambio de nomenclatura de receptores quisqualato a receptores AMPA (Foster y Fagg, 1988; Monaghan, Bridges y Cotman, 1989). Así, son NMDA, AMPA y kainato los receptores de AAEs, siendo el receptor AMPA heredero del antiguo quisqualato. No obstante, la distinción entre NMDA y los otros dos tipos de receptores es la más clara, lo que hace que se hable, como hemos visto, de receptores NMDA y no-NMDA (Salt, 1994) o de receptores NMDA y AMPA/kainato (Nakanishi, Masu, Bessho et al., 1994). Este conjunto de receptores (NMDA, AMPA y kainato) son conocidos como receptores ionotrópicos, debido a que producen su acción en la neurona postsináptica mediante la apertura de un canal como consecuencia directa de su 374
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interacción estereoespecífica con el receptor10. Recientemente, se ha descubierto otro receptor que actúa acoplado a un sistema de segundos mensajeros, por lo que es conocido como receptor metabotrópico. Esto ha llevado a una revolución en la nomenclatura de los receptores de AAEs, como se observa en las revisiones de Foster y Fagg (1988) y Monaghan et al. (1989), titulada la primera “Nomenclatura de receptores de aminoácidos: tiempo para un cambio”. Este cambio en la nomenclatura de AAEs incluye el cambio de nombre de quisqualato a AMPA, y la inclusión del nuevo receptor metabotrópico y un quinto receptor, llamado L-AP4. En muy pocos años, merced fundamentalmente al trabajo de Nakanishi y su grupo, se está produciendo una nueva revolución en la clasificación de estos receptores. Ya se conocen siete tipos de receptores metabotrópicos, uno de los cuales es el receptor L-AP4, que figuraba como un receptor independiente (Nakanishi, 1992). Asimismo, el grupo de Nakanishi, a partir de la caracterización molecular del receptor NMDA, ha propuesto una división dentro de los receptores NMDA en cuatro tipos, dependiendo de las subunidades que lo componen (para una exposición de los receptores metabotrópicos y los subtipos de receptores NMDA ver Nakanishi, 1992; Nakanishi et al., 1994). En conclusión, en la actualidad existen tres tipos de receptores ionotrópicos de aminoácidos excitatorios: NMDA, AMPA y kainato. De éstos, el más claramente diferenciado es el receptor NMDA. En la actualidad se está trabajando sobre una familia de receptores metabotrópicos, así como en la división del receptor NMDA en varios subtipos. Otro punto a tener en cuenta es que ni el glutamato ni el aspartato, ni niguno del resto de AAEs existentes en forma natural en nuestro sistema nervioso son agonistas específicos de un tipo de receptor. Tanto glutamato como aspartato son agonistas mixtos de, al menos, los tres receptores principales (Watkins et al., 1990). No obstante, al ser el glutamato el aminoácido excitatorio más importante en el SNC, con frecuencia se hace referencia, y así haremos nosotros, a estos receptores como receptores del glutamato, en lugar de como receptores de AAEs.
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La unión del neurotransmisor al receptor produce la apertura de canales iónicos en la membrana de la neurona que provocan una leve despolarización o hiperpolarización, y así un potencial postsináptico excitatorio (PPE) o inhibitorio (PPI), respectivamente. La apertura del canal se puede producir bien como consecuencia directa de la interacción entre el transmisor y el receptor (receptores ionotrópicos), bien a través de un complejo sistema de segundos mensajeros, que finaliza con la apertura del canal (receptores metabotrópicos). Conviene recordar que la diferencia de potencial entre una neurona y el exterior es de aproximadamente -60 mV. El disparo de la neurona se produce a -40 mV aproximadamente. Por eso, una despolarización tiende a excitar a la neurona, y una hiperpolarización tiende a inhibirla. xi
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1.2. Caracterización del receptor NMDA 1.2.1. Distribución y estructura del receptor NMDA La estructura con mayor densidad de receptores NMDA en el cerebro es, claramente, el hipocampo. Más específicamente, de las tres áreas principales en que el hipocampo puede dividirse, CA1, CA3 y giro dentado, las de más alta concentración en receptores NMDA son CA1 y giro dentado. Otras áreas del cerebro con una alta concentración de receptores NMDA son el tálamo, el bulbo olfatorio y la corteza cerebral. Sin embargo, en estas áreas la densidad de receptores NMDA es aproximadamente la mitad de la observada en el hipocampo (Monaghan y Cotman, 1985). Los estudios actuales sobre la composición molecular del receptor NMDA indican que el receptor está compuesto por dos subunidades: NMDAR1 y NMDAR2. La segunda subunidad puede presentar cuatro variantes, llamadas NMDAR2A-NMDAR2D (Moriyoshi, Masu, Ishii et al., 1991). En función de esta segunda subunidad se puede establecer una clasificación de los receptores NMDA. No obstante, la subunidad que da las características funcionales definitorias del receptor NMDA es la NMDAR1, y respecto a ella no cambian los distintos tipos de receptores NMDA. Nosotros no vamos a detenernos en la composición molecular del receptor NMDA (para una exposición detallada de la caracterización de ambas subunidades ver Seeburg, Monyer, Sprengel y Burnashev, 1994), y sí en la caracterización fisiológica y funcional del receptor. Los modelos más básicos que pueden elaborarse para dar cuenta de las diferentes características del receptor NMDA ven al receptor como un complejo con varios lugares de unión. Estos modelos suponen que en una unidad (probablemente NMDAR1) haya, al menos, un lugar de unión para un aminoácido excitatorio (p. ej., glutamato) y un lugar de unión para la glicina, que actuaría como coagonista, con efectos moduladores sobre el receptor. El canal iónico estaría uniendo la unidad anterior con la segunda (probablemente NMDAR2), y dentro del canal habría, al menos, un lugar de unión para el magnesio (Mg2+), y un lugar de unión para la penciclidina (PCP). Estudios recientes parecen mostrar que el lugar de unión PCP estaría, aunque orientado hacia el interior del canal, formando parte de la subunidad NMDAR1 (Moriyoshi et al., 1991). El canal serviría, una vez abierto, para dar paso hacia el interior celular al calcio (Ca2+) y al sodio (Na+), y para permitir la salida de
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potasio (K+) de la célula. En la figura 2.1 puede apreciarse una representación esquemática de este modelo.
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A
glutam ato NM DA AP5
glicina m edio extracelular
PCP ketam ina M K-801 Mg
2+
m edio intracelular canal iónico cerrado +
B
Na Ca
2+
glicina glutam ato
m edio extracelular
m edio intracelular K
+
canal iónico abierto
C glutamato
glicina m edio extracelular
PCP Mg
2+
m edio intracelular canal iónico bloqueado
Figura 2.1. Esquema del complejo receptor-NMDA. Se representan los lugares de unión del agonista (glutamato o NMDA) o del antagonista competitivo (AP5, por ejemplo), el lugar de acción 2+ de la glicina y los lugares dentro del canal donde muestran afinidad el Mg y los antagonistas no competitivos como el PCP o la ketamina. Todos estos lugares de unión se encuentran en la subunidad NMDAR1. El canal iónico se encuentra uniendo esta subunidad con la NMDAR2. (A) se representa el canal cerrado, al estar ausentes del lugar de unión tanto el glutamato como la glicina. (B) El canal está abierto al estar ocupado el lugar de unión del agonista por glutamato o NMDA y el lugar de unión de la glicina. (C) El canal está abierto, pero bloqueado.
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A partir de este conjunto de características, vamos a ver algunos aspectos relacionados con el funcionamiento del receptor. En concreto, el efecto bloqueador que el Mg2+ tiene sobre el receptor, las peculiaridades del canal de Ca2+ y el lugar de unión para la glicina, y terminaremos con una exposición del modo de acción de los antagonistas no competitivos que actúan sobre el lugar de unión PCP y con una más breve de los antagonistas competitivos (que actúan sobre el lugar de unión del transmisor).
1.2.2. Propiedades del receptor NMDA 1.2.2.1. El efecto del Mg2+ Vimos en el apartado anterior que el Mg2+ era uno de los antagonistas que resultó crítico en la distinción definitiva entre receptores NMDA y otros receptores del glutamato. El Mg2+ permitía bloquear las respuestas producidas por el NMDA, pero no las producidas por otros aminoácidos, como el kainato o el quisqualato (Evans, Francis y Watkins, 1977). Aunque desde entonces se conocía que el Mg2+ actuaba como un antagonista específico y no competitivo de receptores NMDA, se desconocía su mecanismo de acción. Con el desarrollo de nuevas técnicas para medir la corriente de iones en una neurona, como la fijación de grapa (patch-clamp) y la fijación de voltaje (voltageclamp), comezó a arrojarse luz sobre el mecanismo por el que operaba el Mg2+. Así, se descubrió que en presencia de Mg2+ en el medio extracelular, las estimulaciones del receptor con NMDA o con glutamato producían una secuencia típica de rápidas aperturas y cierres del canal asociado al receptor. Sin embargo, en ausencia del Mg2+, estos agonistas producían una sola apertura, de larga duración (Nowak, Bregestovski, Ascher et al., 1984). Así, los rápidos cierres del canal durante la estimulación con agonistas estaban provocados por el Mg2+, que parecía bloquear el canal intermitentemente. En principio, este bloqueo intermitente podría estar motivado por dos razones: bien porque las moléculas de Mg2+ se movieran alrededor de la entrada del canal, tapándolo ocasionalmente; bien porque estas moléculas entraran en el canal y lo bloquearan temporalmente en tanto avanzan hacia el interior. Posteriormente se han precisado las condiciones bajo las cuales este antagonismo funciona, y esto ha apoyado la segunda de las alternativas expuestas. Se ha mostrado que el bloqueo del canal por parte del Mg2+ es dependiente de xi
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voltaje, de forma que a mayor polarización de la neurona postsináptica, mayor bloqueo por parte del Mg2+. Con un potencial de membrana postsináptico más negativo de -30 mV aproximadamente, la presencia de Mg2+ antagoniza las estimulaciones producidas por NMDA. El bloqueo producido por el Mg2+ es mayor con la hiperpolarización, produciéndose el bloqueo máximo a -80 mV aproximadamente (Mayer y Westbrook, 1985, 1987). Este efecto bloqueador no se produce en ausencia de Mg2+ sea cual sea el potencial, ni se produce en presencia de Mg2+ si la neurona postsináptica se despolariza lo suficiente. Por tanto, tanto la presencia del Mg2+ como un potencial de membrana suficientemente negativo son condiciones necesarias para que se produzca bloqueo. La dependencia de voltaje del bloqueo producido por Mg2+ apoya la alternativa de que las moléculas de Mg2+ cruzan el canal, en vez de quedarse en su comienzo, dado que sólo en la profundidad del canal puede esperarse una dependencia de voltaje tan acusada, al estar más cerca del medio intracelular (no obstante, en la actualidad se considera que existen dos lugares de unión para el Mg2+, uno profundo en el canal y otro más superficial y menos dependiente de voltaje. Un estudio exhaustivo del lugar de unión del Mg2+ en el interior del canal puede encontrarse en Ascher y Johnson, 1994; y MacDonald y Nowak, 1990). En la figura 2.1 puede observarse el lugar de acción del Mg2+ en el interior del canal. Esta peculiaridad relacionada con la dependencia de voltaje del bloqueo del receptor NMDA por parte del Mg2+ es fundamental para entender el funcionamiento del receptor como dispositivo que opera según la regla de Hebb. Este dispositivo es el responsable de que pueda producirse potenciación a largo plazo (PLP), una forma de plasticidad sináptica duradera, que defendemos en este trabajo como un modelo neuronal de aprendizaje que sigue el algoritmo planteado por Hebb (ver capítulo III). Así, una neurona hiperpolarizada o en reposo que sea estimulada por el glutamato mediante la activación de sus receptores NMDA, sólo sufrirá una ligera despolarización (por medio de sus receptores convencionales AMPA, no bloqueados), insuficiente para que las moléculas de Mg2+ abandonen el canal del receptor NMDA y permaneciendo, por tanto, éste bloqueado. Sin embargo, en una neurona parcialmente despolarizada (excitada), como podría ser la anterior después de varias despolarizaciones que se van sumando como consecuencia de una estimulación continuada (tetánica), se produciría una despolarización postsináptica que llevaría al Mg2+ a abandonar el canal de los receptores NMDA y, consecuentemente, al quedar el canal despejado, se produciría el flujo de iones a través del mismo (en el caso del receptor NMDA, veremos posteriormente que son iones de Ca2+ los que fluyen a la neurona postsináptica, y es el Ca2+ el que inicia los 374
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procesos en la célula responsables del mantenimiento de la PLP). Este efecto sumativo, no lineal, de diferentes despolarizaciones consecutivas explica que la estimulación tetánica11 de las fibras presinápticas produzca el desbloqueo del canal por el Mg2+, y veremos en el siguiente capítulo que esta estimulación tetánica es la que produce PLP. Así, el receptor NMDA es regulado por ligando (el neurotransmisor), al igual que el resto de receptores, pero adicionalmente, y en esto es singular, es también regulado por voltage. Además del Mg2+, hay otros cationes divalentes que también pueden bloquear el canal, como son manganeso (Mn2+), cobalto (Co2+), niquel (Ni2+) y zinc (Zn2+) y cadmio (Cd2+). Su lugar de unión al canal sería similar al del Mg2+, excepto en el caso del Zn2+ y el Cd2+, respecto al que se considera la posibiliddad de que tengan un lugar de unión diferente, más cerca de la superficie extracelular (Lodge, Jones y Fletcher, 1994; MacDonald y Nowak, 1990). No obstante, el canal NMDA es permeable a un catión divalente, el calcio (Ca2+), de extrema importancia en el funcionamiento del receptor NMDA.
1.2.2.2. El canal de Ca2+ La activación del resto de receptores ionotrópicos de AAEs (AMPA y kainato), así como de otros receptores de neurotransmisores excitatorios clásicos, como los receptores nicotínicos de la acetilcolina, lleva a la apertura de un canal por el que fluye el Na+ al interior celular, seguido de una salida menor de K+ desde el interior al espacio extracelular. El resultado neto es cierta despolarización de la neurona, y de ahí su poder excitatorio. El receptor NMDA comparte estas caracerísticas. Una vez abierto el canal por la interacción del transmisor con el receptor, se produce un influjo de Na+ y un menor eflujo de K+, con un resultado neto de despolarización. Pero a diferencia del resto de receptores excitatorios, el canal asociado al receptor NMDA permite también el flujo de Ca2+ hacia el interior celular, siendo para esta sustancia para la que el canal presenta una mejor conductancia (McDermott, Mayer, Westbrook et al., 1986). Así, el canal asociado al receptor NMDA recibe el nombre de canal de Ca2+. En el interior celular, el Ca2+ dispara multitud de procesos que comienzan con la acción de enzimas dependientes de Ca2+. En el siguiente capítulo se revisan estos procesos, que parecen ser los responsables del mantenimiento de la PLP. 11
Estimulación breve y de alta frecuencia. Habitualmente, un conjunto de aproximadamente 100 estimulaciones eléctricas administradas por segundo, durante algunos segundos, que producen un tren de potenciales de acción. xi
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Además de los procesos implicados en el mantenimiento de la PLP, la entrada de Ca2+ produce otros cambios en el interior celular que conducen a una hiperpolarización, aumentando así el bloqueo por parte del Mg2+. Esto lleva a una secuencia de despolarizaciones-hiperpolarizaciones, que subyacen a procesos de ritmicidad neuronal (Lodge et al., 1994). Estos procesos parecen ser los responsables de fenómenos oscilatorios como los implicados en patrones de coordinación motora (Alford y Brodin, 1994) y la producción anormal de descargas, propias de la epilepsia (Clark, Stasheff, Lewis et al., 1994).
1.2.2.3. Modulación por glicina En la actualidad se conoce que la glicina, un aminoácido con efectos inhibidores en la médula espinal, actúa también sobre el receptor NMDA. Concentraciones, incluso muy bajas, de glicina en las inmediaciones del receptor NMDA produce un gran aumento en el flujo de iones producido tras la unión del glutamato al receptor (Johnson y Ascher, 1987). Como expusimos previamente, los modelos actuales sobre el receptor NMDA suponen la existencia de un lugar de unión en el receptor NMDA para la glicina, adicional al lugar de unión del agonista. Ya se han encontrado también antagonistas específicos que operan sobre el lugar de unión de la glicina. Así, se ha mostrado recientemente que el HA-966, que ya hemos visto que había sido, al igual que el Mg2+, un antagonista útil para bloquear respuestas producidas por NMDA que actuaba de una forma no competitiva, actúa sobre el lugar de unión de la glicina (Fletcher y Lodge, 1988). Hasta el descubrimiento del lugar de unión de la glicina por Johnson y Ascher, el HA-966 era un antagonista de receptores NMDA con un mecanismo de acción desconocido. Cuando se consigue reducir la concentración de glicina al mínimo, la respuesta al agonista NMDA se reduce casi a cero, lo que ha llevado a sugerir que la unión de glicina al receptor es un requisito tan necesario como la unión del NMDA o el glutamato para que se abra el canal asociado (Kleckner y Dingledine, 1988). Así, glutamato y glicina estarían actuando como coagonistas del receptor NMDA. Dado el importante efecto que parece tener la glicina sobre el receptor NMDA, es necesario estudiar su funcionamiento en condiciones naturales. Se han propuesto dos mecanismos por los que la glicina podría estar operando bajo estas condiciones (Watkins, 1994). Por un lado, dada la alta concentración que de glicina hay en el líquido cefalorraquídeo y en el líquido extracelular, parece plausible que la glicina esté ocupando su lugar en el receptor NMDA en condiciones fisiológicas normales, y que el lugar de unión correspondiente del receptor NMDA esté habitualmente 374
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ocupado por glicina. Otra posibilidad es que además de glutamato, desde el terminal presináptico se libere también glicina como cotransmisor. No obstante, hasta nuestro conocimiento, no se han encontrado datos que sustenten esta segunda posibilidad. Por último, trabajos recientes apoyan la idea de una cooperación funcional, respecto al papel del receptor NMDA en el aprendizaje, entre el lugar de unión de la glicina y el lugar de unión del glutamato. Así, un agonista del lugar de acción de la glicina, la D-cicloserina, neutralizó los efectos sobre el aprendizaje espacial, tanto del laberinto de agua como del laberinto radial (ver capítulo IV) producidos por un antagonista no competitivo NMDA, el MK-801 (Pitkanen et al., 1995). Por ser un descubrimiento reciente, la acción de la glicina sobre el receptor NMDA está siendo una de las líneas de investigación principales sobre el receptor (ver Ascher y Johnson, 1994, para una exposición de los avances). Además, fruto del interés por la implicación del receptor NMDA en los procesos de aprendizaje y memoria, en los últimos años se está dirigiendo una gran atención a los efectos del lugar de acción de la glicina en el receptor NMDA sobre el aprendizaje, habiéndose encontrado en varios trabajos un efecto facilitador sobre el mismo producido por el agonista del lugar de acción de la glicina D-cicloserina (Baxter et al., 1994; Flood, Morley y Lanthorn, 1992; Quartermain et al., 1994; Land y Riccio, 1997; Monahan, Handelmann, Hood y Cordi, 1989; Riekkinen et al., 1997; Thompson y Disterhoft, 1997a; Thompson, Moskal y Disterhoft, 1992). Este efecto es el esperado si, efectivamente, la glicina actúa como coagonista del receptor NMDA. A pesar de lo sugerente de estos resultados, el hecho de que en condiciones normales la glicina parece estar acoplada al receptor, hace que las propiedades más interesantes de este receptor -su funcionamiento a modo de un dispositivo hebbianono tengan que ver con el lugar de unión de la glicina, sino con la el lugar de unión del glutamato y de la dependencia de voltaje para expulsar el Mg2+ del canal iónico. Como hemos visto, la coocurrencia de ambos eventos es necesaria para que el canal del receptor quede abierto y libre. En lo que a nuestro trabajo respecta, para entender la actuación del receptor en la PLP y el lugar de acción del antagonista no competitivo ketamina, vamos a obviar el papel de la glicina.
1.2.2.4. Antagonistas competitivos El mecanismo de acción de los antagonistas competitivos es actuar sobre el lugar de unión del agonista en el receptor, impidiendo que el agonista pueda unirse al mismo y abrir el canal, y bloqueando así la consecuente despolarización. En el receptor NMDA, concretamente, parece que agonistas y antagonistas competitivos xi
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actúan sólo parcialmente sobre el mismo lugar de unión, y parcialmente sobre lugares de unión diferentes (Watkins et al., 1990). El objetivo que perseguimos aquí es, tan sólo, hacer referencia a los antagonistas competitivos más importantes que se conocen, y en particular a los que citamos en el capítulo IV. En ese capítulo haremos referencia a ellos directamente por su abreviatura. Del conjunto de antagonistas que vimos más arriba que habían resultado críticos en el descubrimiento de los receptores NMDA (Mg2+, HA-966 y D-AA) aplicados juntos a agonistas, nos queda por ver el modo de acción del D-AA. Éste fue el primer antagonista del que se conoció que actuaba compitiendo con el NMDA por el mismo lugar de unión, como así sugeria el paralelismo entre las curvas a dosis del antagonista y de NMDA (Evans, Francis, Hunt et al., 1979). A este fármaco y a compuestos relacionados se les conoce como antagonistas (competitivos) de primera generación. No obstante, estos antagonistas no mostraron mucha potencia, produciéndose una evolución en ellos y dando lugar a los antagonistas de segunda generación (Watkins, 1994). Los antagonistas competitivos de segunda generación más importantes son el D-2-amino-5-phosphonopentanoate (D-AP5) (Evans y Watkins, 1981), y el compuesto relacionado D-2-amino-7-phosphonoheptanoate (D-AP7) (Evans, Francis, Jones et al., 1982). Otros antagonistas de segunda generación pueden verse en Watkins (1994), siempre basados en la estructura del AP5 y AP7. Estudios posteriores con radioligandos mostraron una inhibición completa por parte de estos fármacos de las uniones al ligando [3H]L-glutamato12 (Foster y Fagg, 1984). AP5 ha sido el antagonista competitivo de receptores NMDA más ampliamente utilizado, y continúa siéndolo en la actualidad, como puede observarse en nuestra revisión del capítulo IV. No obstante, estos antagonistas, aunque muy potentes en la inhibición de las uniones del agonista al receptor, presentan un problema fundamental. Son sustancias de una alta polaridad, lo que dificulta su absorción por el tejido nervioso cuando son administradas periféricamente, al no poder pasar la barrera hematoencefálica (Jane, Olvermann y Watkins, 1994). Esto sitúa en desventaja a estos antagonistas competitivos respecto a los no competitivos, que pasan con facilidad la barrera hematoencefálica. De hecho, casi la totalidad de estudios que veremos en el capítulo IV que han utilizado antagonistas competitivos, y todos los que han utilizado AP5 ó AP7, administran el fármaco, bien intraventricularmente, bien directamente en la estructura cerebral a estudiar (p.ej., hipocampo). Sin embargo, los estudios que 12
L-glutamato cargado radiactivamente con objeto de seguir su pista en el sistema nervioso. 374
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utilizan antagonistas no competitivos (p. ej., ketamina o MK-801) administran el fármaco intraperitonealmente. Esto supone una gran ventaja en el uso de antagonistas no competitivos, de la que hemos querido sacar partido en nuestro trabajo, utilizando ketamina. Así, en la evolución de los antagonistas competitivos se han introducido modificaciones en las estructuras moleculares de AP5 y AP7 con el objetivo de aumentar aún más su potencia y, sobre todo, aumentar su capacidad de ser absorbidos por el tejido nervioso. Así, han llegado los antagonistas competitivos de tercera generación. Algunos de ellos son el 3-(2-carboxipiperazin-4-il)propil-lfosfonato (CPP; Harris et al., 1986), sus análogos 3-(2-carboxipiperazin-4-il)-1propenil-1-fosfonato (CPP-ene; Herrling et al., 1989), y 3-(2-carboxipiperidin-4il)propil-l-fosfonato (CPPP; Lodge et al., 1988); y los compuestos relacionados ácido cis-4-fosfonometilpiperidina-2-carboxilico (CGS 19755; Murphy et al., 1987) y los creados más recientemente ácido (E)-2-amino-4-metil-5-fosfono-3-pentanoico (CGP 37849; Fagg et al., 1990) y su derivado, el ester -carboxietil (CGP 39551; Fagg et al., 1990). También forman parte de este conjunto los compuestos NPC 12626 (ácido 2-amino-4,5-(1,2-ciclohexil)-7-fosfonoheptanoico; Ferkany, Kyle, Willets et al., 1989) y su isómero de nueva creación NPC 17742 (ácido 2amino-4,5-(1,2-ciclohexil)-7-fosfonoheptanoico; Ferkany, Willets, Borosky et al., 1993), más potente y de mejor absorción. Una exposición completa de estos compuestos y otros de esta tercera generación puede encontrarse en Jane et al. (1994). La gran mayoría de los fármacos a los que hemos hecho referencia serán de nuevo citados en el capitulo IV. Concretamente, los antagonistas competitivos de receptores NMDA de los que se ha estudiado su efecto en tareas de aprendizaje y memoria son AP5, AP7, CPP, CPPene, CGS 19755, CGP 37849, CGP 39551, NPC 12626 y NPC 17742. A diferencia de los isómeros del glutamato y el aspartato, en todos estos compuestos, el isómero efectivo es el D, teniendo un efecto antagonista mucho menor o nulo el isómero L. Así, veremos en el capítulo IV efectos diferentes sobre el aprendizaje de algunos de estos isómeros.
1.2.2.5. Antagonistas no competitivos Ya hemos visto algunos antagonistas no competitivos de receptores NMDA. El más importante de los vistos es el Mg2+, que actúa bloqueando el canal asociado al receptor. También los fármacos que actúan sobre el lugar de unión de la glicina son antagonistas no competitivos, como el HA-966. Nos queda por ver el conjunto xi
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mayor de estos antagonistas, los más ampliamente utilizados para inhibir las respuestas del receptor NMDA junto a los antagonistas competitivos. En general, este conjunto de antagonistas son conocidos como anestésicos disociativos, y uno de sus más típicos representantes es la ketamina. Su funcionamiento y propiedades las veremos en la segunda parte del capítulo.
2. La ketamina La ketamina (2-(o-clorofenil)-2-metilaminociclohexanona hydrocloruro) es un fármaco de la familia de las arylcyclohexylaminas, que durante mucho tiempo ha sido conocido por sus propiedades anestésicas. En la figura 2.2 se representa su estructura.
Cl
NHCH3 O
Figura 2.2. Estructura de la ketamina
El primero de los fármacos de la familia de las arylcyclohexylaminas que comenzó a utilizarse como anestésico fue la fenciclidina (PCP) (1-(1fenilciclohexil). Las propiedades anestésicas de estos fármacos van unidas a otras peculiaridades, que son las que le han dado el apellido de disociativos. Según Lodge y Johson (1990), el término disociativo hace referencia a la falta de correlación existente entre el patrón electroencefalográfico cortical y límbico y no se refiere, como mantienen otros autores (p. ej., Loscher, Fredow y Ganter, 1991), a las alteraciones del pensamiento y comportamiento similares a las observadas en la esquizofrenia que son comunes tras la administración de estos fármacos. Estas alteraciones, no obstante, llevan a que estos fármacos también sean conocidos como drogas psicotomiméticas. De hecho, el PCP fue retirado para su uso en humanos por sus propiedades psicotomiméticas, que podían llevar a la aparición de brotes psicóticos tiempo después de su uso, y fue sustituido por la ketamina, fármaco de acción menos duradera. En la actualidad el PCP se usa como droga de abuso, conocida como polvo de ángel (Julien, 1992; Lodge y Johnson, 1990; Velasco y Álvarez, 1988). Al igual que el PCP, los efectos de la ketamina incluyen analgesia, alteraciones cardiovasculares y respiratorias y alucinaciones (White y Ryan, 1996). 374
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Debido a estas importantes propiedades, durante años se ha estudiado intensamente el lugar de acción de estos fármacos, habiéndose encontrado interacciones con diversos receptores y canales iónicos (ver Lodge y Johnson, 1990 para un resumen de esos resultados). Sin embargo, en la actualidad parece claro que el mayor lugar de acción de la ketamina y el PCP es el receptor NMDA.
2.1. La ketamina como antagonista del receptor NMDA La primera demostración concluyente de que PCP y ketamina actúan como antagonistas selectivos de receptores NMDA fue por parte de Lodge y su equipo (Anis, Berry, Burton y Lodge, 1983; Lodge y Anis, 1984). Mostraron que tanto PCP como ketamina reducían de forma selectiva la acción excitatoria de NMDA, dejando inalterada la de otros AAEs. La acción de estos fármacos en el bloqueo de los receptores NMDA es estereoespecífica, siendo el (+) isómero de la ketamina más potente que el (-) isómero (Berry, Burton, Anis y Lodge, 1983). Desde entonces se han desarrollado otros fármacos que muestran propiedades antagonistas similares a las de PCP y ketamina. El que más destaca por su potencia y especificidad es el MK-801 o dizocilpina ([(+)-5-methyl-10,11-dihydro-5H-dibenzo[a,d]cyclohepten5,10-imine maleate] (Wong, Kemp, Priestley et al., 1986). Sin duda, son PCP, ketamina y MK-801 los tres fármacos antagonistas no competitivos de receptores NMDA más utilizados. Los tres son fármacos de polaridad positiva. El estudio citado de Lodge y su equipo mostró que PCP y ketamina eran antagonistas selectivos de receptores NMDA, pero no que su modo de acción fuera no competitivo. Estudios posteriores, no obstante, no han dejado duda de que estos fármacos antagonizan no competitivamente el receptor. La administración combinada de ketamina con antagonistas competitivos ha mostrado tener un efecto no aditivo, lo que indica que actúan sobre diferentes lugares de unión (Martin y Lodge, 1985). Más específicamente, dos características mostradas por los anestésicos disociativos hacen suponer que su lugar de acción está en el interior del canal, como ocurría en el caso del Mg2+. Estas características son la dependencia de voltaje y la dependencia de uso (Honey, Miljkovic y MacDonald, 1985, con PCP; Honey et al., 1985, y MacDonald, Miljkovic y Pennefather, 1987, con ketamina; Huettner y Bean, 1988, y Wong et al., 1986, con MK-801). No obstante, la administración combinada de ketamina y Mg2+ ha mostrado tener también efectos no aditivos, sugiriendo que el lugar de acción de ketamina y Mg2+ no es el mismo, aunque estén ambos dentro del canal (Harrison y Simmonds, 1985).
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La dependencia de voltaje se ha comprobado cuando PCP, ketamina y MK-801 han sido utilizados para antagonizar las respuestas al receptor NMDA. Se ha encontrado que este bloqueo es más acusado cuanto más negativo es el potencial de membrana en la neurona. Teniendo en cuenta que estos fármacos muestran una polaridad positiva, esta dependencia de voltaje incita a pensar que el lugar de unión del fármaco al receptor está en el interior del canal, como ocurre en el caso del Mg2+. Incluso se ha sugerido que el lugar de unión de estos fármacos debe estar, como el del Mg2+, en la profundidad del canal (MacDonald et al., 1987). No obstante, la dependencia del voltaje de la ketamina es mucho menos acusada que la del Mg2+. Asimismo, otras características del bloqueo, relacionadas con su dependencia de uso sugieren que el lugar de unión de estos fármacos, aunque dentro del canal, es diferente al del Mg2+. La dependencia de uso ha sido estudiada previamente en la unión neuromuscular de invertebrados (Lingle, 1983). Lingle mostró que algunos antagonistas tienen afinidades diferentes por el receptor dependiendo del estado de activación del canal (abierto o cerrado) como consecuencia de la unión del agonista al receptor. A esto se le conoce como bloqueo dependiente de uso o dependiente del agonista, y es una característica del antagonismo que ejercen los anestésicos disociativos sobre el receptor NMDA. La ketamina y fármacos afines muestran una preferencia clara por unirse al receptor cuando éste está ocupado por el agonista y, por lo tanto, cuando el canal está abierto. Como consecuencia de esto, la velocidad a la que la ketamina abandona el canal es más lenta que la velocidad a la que lo ocupa, ya que penetra en el canal cuando éste está abierto, y cuando el canal se cierra la ketamina está todavia en su interior, quedando encerrada dentro. Hasta que el canal no vuelva a ser abierto por una nueva unión del agonista, la ketamina permanecerá encerrada en el interior del canal. Este desbloqueo lento del canal contrasta con el rápido desbloqueo que se produce cuando el agente bloqueador es Mg2+ (MacDonald y Nowak, 1990). Además de producirse un desbloqueo lento, la velocidad a la que el anestésico disociativo produce bloqueo del canal es también anormalmente lenta (Huettner y Bean, 1988; MacDonald et al., 1987). Huettner y Bean han mostrado que esta lentitud en el bloqueo es también debida a la dependencia de uso. En realidad, una vez que el canal está abierto, es rápidamente bloqueado por el fármaco, quedando la lentitud en el bloqueo explicada porque la probabilidad con la que el canal del receptor NMDA se abre es escasa. La dependencia de uso y el aprisionamiento del antagonista en el interior del canal son características que diferencian el antagonismo que ejercen los anestésicos
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disociativos y el Mg2+, y que indican la existencia de diferentes lugares de unión dentro del canal para cada uno. La conclusión de los diferentes estudios mencionados es que la ketamina y otros anestésicos disociativos actúan no competitivamente, dentro del canal asociado al receptor. Más concretamente, se ha sugerido que el lugar de unión de estos fármacos estarían dentro del canal en un punto menos profundo que el lugar de unión del Mg2+, llamado boca del canal (MacDonald y Nowak, 1990). El lugar de unión del PCP en el receptor NMDA en relación al lugar de unión del Mg2+ puede apreciarse en la figura 2.1. Por convenio, y dado que los lugares de unión de PCP en el cerebro fueron los primeros en ser estudiados utilizando [3H]PCP13 (Vincent, Kartalovski, Geneste et al., 1979), a este lugar de unión se le conoce como receptor PCP (Lodge y Johnson, 1990). Conviene, no obstante, evitar cualquier tipo de confusión. El receptor PCP no es un receptor independiente al receptor NMDA; es el lugar de unión, dentro del complejo receptor NMDA, donde antagonistas no competitivos de receptores NMDA, como PCP o ketamina, actúan. Así, PCP es antagonista NMDA merced a su acción en el receptor PCP. Una vez descubierto el receptor, se ha producido, como es habitual, una búsqueda de agonistas y antagonistas endógenos del receptor que, hasta el momento, no ha arrojado grandes frutos (Lodge et al., 1994). Todos los anestésicos disociativos aquí mencionados muestran una alta afinidad por el receptor PCP, siendo MK-801 el que muestra una afinidad mayor, y no mostrando ninguna ni los antagonistas competitivos ni el glutamato (Lodge et al, 1994). Desde el descubrimiento de la afinidad al receptor PCP y de las propiedades antagonistas de receptores NMDA por parte de los anestésicos disociativos, se han realizado estudios que han relacionado ambas propiedades, habiéndose encontrado una alta correlación entre la potencia de estos fármacos en estudios de unión al receptor y su potencia como antagonistas NMDA (una exposición de estos estudios puede encontrarse en Martin y Lodge, 1988). Asimismo, los estudios que han comparado la densidad de los lugares de unión PCP y NMDA en diferentes áreas cerebrales han encontrado una distribución similar, destacando la alta concentración de ambos receptores en el hipocampo y la corteza (Cotman, Monaghan, Ottersen y Storm-Mathisen, 1987). Esta distribución nos resulta de importancia por ser hipocampo y corteza dos de los lugares donde de manera más clara se ha descrito la existencia de PLP (ver capítulo IV). La alta correlación entre el lugar de unión de los anestésicos disociativos al receptor PCP y su capacidad de antagonizar el
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PCP cargado radiactivamente. xi
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receptor NMDA, unido a la similar distribución de ambos receptores encontrada, muestra que el mecanismo de acción de estos fármacos para actuar como antagonistas NMDA está relacionado con su capacidad para unirse al receptor PCP, y no a ningún otro efecto colateral que puedan ejercer los fármacos actuando sobre otros sistemas. Esta idea es de gran importancia para nosotros, pues en ocasiones se ha indicado la incoveniencia de utilizar anestésicos disociativos como antagonistas de receptores NMDA debido a la supuesta inespecificidad de su acción antagonista. Para aclarar más la relación existente entre sus propiedades como antagonistas NMDA y su actuación sobre los lugares de unión PCP es también importante estudiar si existe una relación entre el antagonismo NMDA de los anestésicos disociativos y otros efectos conductuales propios de estos fármacos. En la medida en que diferentes fármacos disociativos, cuya similaridad reside en actuar sobre el lugar de unión PCP, muestren también los mismos efectos conductuales, puede inferirse que es su unión al receptor PCP el que produce los efectos del fármaco. Si, además, la potencia de estos fármacos para producir efectos tan diferentes como antagonismo NMDA y alteraciones conductuales correlaciona, puede concluirse con más rotundidad que es aquello en que se parecen los diferentes fármacos, su capacidad para unirse al receptor PCP, lo que explica sus efectos. Quizás los más característicos de los efectos conductuales de los anestésicos disociativos son sus efectos psicotomiméticos en el hombre: la producción de anormalidades perceptivas similares a las esquizofrénicas. Como la comparación en el hombre entre la capacidad para antagonizar las respuestas del receptor NMDA y la capacidad para producir estas anormalidades presenta problemas éticos, se ha utilizado un paradigma animal de discriminación entre compuestos. Los animales son entrenados para discriminar un compuesto que produce estas anormalidades, como PCP de solución salina (mediante una tarea simple de presión de palanca, en la que el fármaco es el ED para una palanca), y posteriormente se prueba la capacidad de generalizar la respuesta a otros psicofármacos. En la medida en que la respuesta se generalice, se asume que los fármacos tienen los mismos efectos subjetivos sobre el animal. Empleando este procedimiento, animales entrenados con PCP generalizan su respuestas con facilidad a otros anestésicos disociativos, como ketamina y MK-801, encontrándose, además, una alta correlación entre la capacidad de generalización a estos fármacos, su potencia como antagonistas NMDA y su potencia en estudios de unión al receptor PCP (Herling y Woods, 1982; Holzman, 1982; Koek, Colpaert, Woods y Kamenka, 1989; Koek, Woods y Winger, 1988; Kozlowski, Browne y Vinick, 1986; Shannon, 1983; Willets y Balster, 1988). Asimismo, se ha encontrado también que los animales entrenados con MK-801 374
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generalizan sus respuestas a PCP y ketamina (Koek et al., 1989; Tricklebank et al., 1989) y animales entrenados con ketamina también generalizan sus respuestas a MK-801 (Benvenga, Wing y Del Vechio, 1991). Sin embargo, en estos estudios, los animales entrenados previamente con PCP, ketamina o MK-801 no responden a otros fármacos, también psicoactivos pero que no actúan sobre los lugares de unión PCP ni antagonizan las respuestas del receptor NMDA, como la morfina, la cocaína o el LSD. Más sugerentes aún son los resultados con animales entrenados a discriminar PCP o MK-801 de solución salina, en los que se compara en una prueba posterior la generalización a los tres compuestos que mencionamos (PCP, MK-801 y ketamina). El resultado en la prueba de generalización muestra, independientemente del compuesto elegido para la discriminación original, una ordenación en la tendencia a responder a los diferentes compuestos idéntica a la capacidad de los compuestos para antagonizar el receptor NMDA: MK-801, PCP y ketamina (Koek et al., 1989; Tricklebank et al., 1989). Incluso si el entrenamiento original es con PCP, los animales responden más en la prueba ante MK-801 que ante el propio PCP (Koek et al., 1989). Exactamente los mismos resultados se producen cuando se utiliza en la prueba un conjunto más amplio de antagonistas no competitivos. El orden en el que se produce generalización a los mismos es idéntico a su potencia antagonista de los receptores NMDA (Tricklebank et al., 1989). Estos resultados muestran que el estado interno producido por los anestésicos disociativos está directamente relacionado con su capacidad para antagonizar los receptores NMDA. Esta conclusión queda reforzada por el hecho de que también se produce generalización a antagonistas competitivos de receptores NMDA (Willets y Balster, 1988; Sanger, 1993). Por último, la capacidad de los diferentes antagonistas no competitivos para producir otros efectos conductuales propios de los anestésicos disociativos, como hiperlocomoción y conducta estereotipada, correlacionan también de forma clara con su capacidad para antagonizar las convulsiones producidas por la administración de NMDA (Carter, 1994; Koek y Colpaert, 1990; Tricklebank et al., 1989). Estos resultados abundan en la idea de que los efectos conductuales de los anestésicos disociativos están relacionados con su capacidad para antagonizar los receptores NMDA. Además, si bien es verdad que los antagonistas competitivos, aunque produciendo estos efectos, lo hacen en menor medida que los antagonistas no competitivos, esto probablemente no refleja más que su menor capacidad para superar la berrera hematoencefálica (Tricklebank et al., 1989). Recientemente, Carter (1994) ha comparado antagonistas NMDA que actúan sobre diferentes xi
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lugares del receptor (competitivos, no competitivos que bloquean el canal, como la ketamina, y no competitivos que actúan sobre el lugar de unión de la glicina) en su capacidad para antagonizar el receptor y de producir descoordinación motora. La conclusión del estudio es que se produce una muy alta correlación entre ambos efectos (r=0.97), independientemente del lugar de acción del fármaco. Asimismo, también se han observado efectos psicotomiméticos en humanos con antagonistas competitivos (Kristensen, Svensson y Cordly, 1992). En general, cada vez hay más evidencias de que los efectos conductuales de los anestésicos disociativos están producidos por su antagonismo del receptor NMDA y no por ningún otro mecanismo, y así se muestra en las recientes revisiones de Lodge et al. (1994) y Herrling (1994). Además de ketamina, PCP y MK-801, existen bastantes más fármacos antagonistas NMDA no competitivos. Algunos de ellos son opiáceos que actúan sobre los receptores sigma, como el allylnormetazocine (Berry, Anis y Lodge, 1984); otros son derivados de la morfina, como el dextromethorphan (Church, Lodge y Berry, 1985); y otros, como la memantina y la amantadina, que han sido utilizados previamente en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson, han mostrado recientemente producir un bloqueo del receptor similar al que producen PCP o ketamina (Chen et al., 1992). Otros antagonistas no competitivos pueden encontrarse en Lodge et al. (1994). PCP, ketamina, MK-801, allylnormetazocine, dextromethorphan, memantina y amantadina han sido utilizados en experimentos en los que se ha estudiado su efecto sobre el aprendizaje y la memoria, como veremos en el capítulo IV. En conclusión, la ketamina es, junto a otros anestésicos disociativos, como PCP y MK-801, un antagonista selectivo de receptores NMDA. Su acción no aditiva cuando es administrada junto a antagonistas competitivos indica que su mecanismo de acción es no competitivo. Su dependencia de voltaje, menos acusada que la del Mg2+, y su dependencia de uso muestran que su lugar de acción está dentro del canal en algún punto menos profundo que el lugar de acción del Mg2+, llamado receptor PCP. Las propiedades antagonistas de la ketamina y fármacos afines se deben a su afinidad por el receptor PCP, como se muestra en la alta correlación entre la afinidad por el lugar de unión PCP y el antagonismo NMDA de los anestésicos disociativos y la alta correlación entre efectos conductuales y potencia para antagonizar el receptor NMDA de fármacos competitivos y no competitivos. Por último, las alteraciones conductuales que produce ketamina y fármacos relacionados son también compartidas por antagonistas NMDA competitivos, lo que indica que estas alteraciones son producidas por su antagonismo del receptor NMDA. 374
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2.2. Farmacodinámica de los efectos conductuales de la ketamina Vimos previamente que la ketamina, como otros antagonistas de receptores NMDA, produce una serie de efectos conductuales. Algunos de ellos, como los efectos sobre la locomoción, son particularmente importantes cuando se pretende estudiar el efecto de la ketamina sobre el aprendizaje y la memoria, pues producen alteraciones sobre la ejecución que son difícilmente disociables de las alteraciones sobre los fenómenos de aprendizaje y memoria. Esto es particularmente cierto en la tarea que utilizamos en nuestros experimentos, en la que se miden las entradas al comedero. Cualquier alteración motora afecta a la capacidad del animal para acercarse y entrar al comedero. En este sentido, particular atención merecen los efectos sobre la sedación, que podrían impedir el movimiento, e hiperlocomotores de la ketamina. Por tanto, las dosis a las que se producen estos efectos y su farmacodinámica tienen que ser bien conocidos para valorar su posible participación en la ejecución durante la tarea de aprendizaje. Dado que en nuestros experimentos la ketamina se administra intraperitonealmente y la farmacocinética para diferentes vías de administración es diferente, nos interesan sólo estudios que hayan utilizado esta vía de administración. Si bien existen varios trabajos que estudian los efectos conductuales de la ketamina, es, sin duda, el de Irufine, Shimizu y Nomoto (1991) el que aborda con mayor sistematicidad el problema fundamental en el que estamos interesados. Irufine y colaboradores esudiaron el efecto de varias dosis (10, 20, 30, 50, 100 y 150 mg/kg) administradas intraperitonealmente sobre la sedación y la locomoción en ratones. La diferencia fundamental entre este estudio y otros, y que lo hace más interesante para nosotros, es que estos efectos fueron medidos en tiempo continuo desde la administración del fármaco hasta pasadas tres horas de su administración, obteniéndose así el curso temporal de estos efectos para cada dosis. Los efectos sobre la locomoción se estudiaron mediante una caja de actividad. Las dosis de 10, 20 y 30 mg/kg produjeron un espectacular y rápido incremento de la locomoción, con un aumento máximo (pico) para las tres dosis a los 10 minutos de la administración del fármaco. Asimismo, se produjo un rápido decaimiento de estos efectos hiperlocomotores, de forma que a los 30 minutos no quedaban efectos de la dosis de 10 mg/kg y a los 50 minutos desaparecieron totalmente los efectos de 20 y 30 mg/kg. A la dosis de 50 mg/kg, el pico se produjo a los 20 minutos de su administración, decayendo también con rapidez y desapareciendo a los 60 minutos. Con dosis mayores también se produjo efecto hiperlocomotor, produciéndose tanto xi
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el pico como la desaparición de estos efectos más tardíamente (tabla 2.1). Es también interesante comentar que el pico hiperlocomotor no fue proporcional a la dosis (el pico más alto se produjo para la dosis de 30 mg/kg, seguido de la dosis de 20 mg/kg, 50 mg/kg, 150 mg/kg, 100 mg/kg, y 10 mg/kg). Los efectos anestésicos o sedantes se estudiaron a partir de la existencia de descoordinación motora (ataxia) y pérdida del reflejo de enderezamiento para las dosis de 30, 50, 100 y 150 mg/kg (tabla 2.1). A dosis de 30 y 50 mg/kg sólo se produjo ataxia. El reflejo de enderezamiento fue normal a esas dosis, por lo que pueden considerarse dosis claramente subanestésicas. Sólo a la dosis de 150 mg/kg se observaron auténticos efectos anestésicos, con pérdida del reflejo de enderezamiento indicativa de sueño. Obviamente, en ese tiempo se produjo una clara inhibición locomotora.
HIPERLOCOMOCIÓN DOSIS 10 mg/kg 20 mg/kg 30 mg/kg 50 mg/kg 100 mg/kg 150 mg/kg
PICO DESAPARICIÓN PICO 10 min. 30 min. 10 min. 50 min. 10 min. 50 min. 4 min. 20 min. 60 min. 4 min. 80 min. 120 min. 6 min. 110 min. >180 min. 18 min.
ANESTESIA ATAXIA PÉRDIDA DEL R.E. DESAPARICIÓN PICO DESAPARICIÓN 10 min. no no 22 min. no no 56 min. no no 92 min. 6 min. 16 min.
Tabla 2.1. Momento en que se produce el pico y desaparición de los efectos hiperlocomotores y anestésicos (ataxia y pérdida del reflejo de enderezamiento) de la ketamina a diferentes dosis tras su administración intraperitoneal en ratones (tabla confeccionada a partir de los resultados de Irufine et al., 1991).
En resumen, respecto a las dosis más similares a las que utilizamos en nuestro trabajo (en nuestro trabajo utilizamos 6, 15, 25 y 37 mg/kg), estos resultados indican ausencia de efectos anestésicos, con producción de ataxia que desapareció a los 10 minutos con la dosis de 30 mg/kg. Respecto a la hiperlocomoción, a dosis de 10, 20 y 30 mg/kg se produce un pico a los 10 minutos de la administración, desapareciendo por completo a los 50 minutos con la dosis de 20 y 30 mg/kg y a los 30 minutos con 10 mg/kg. Aunque los resultados de Irufine han sido obtenidos con ratones, múltiples datos muestran que la farmacodinámica de la ketamina es muy similar a la que se produce en ratas con la misma vía de administración. Respecto a los efectos obtenidos sobre la locomoción, tanto las dosis como su curso temporal son similares a los obtenidos previamente por Hetzler y Wautlet (1985) utilizando ratas en un campo abierto. Asimismo, los resultados sobre ataxia son similares a los obtenidos también en ratas por Lannes et al. (1991), quienes encuentran ataxia sólo en algunas 374
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ratas a una dosis de 30 mg/kg que desaparece por completo en 20 minutos y ausencia total de ataxia con dosis menores. Respecto a la pérdida del reflejo de enderezamiento (anestesia), también se ha encontrado con ratas que la dosis efectiva para producir anestesia fue de 150 mg/kg, obteniéndose a esa dosis una duración máxima de la anestesia de 20 minutos (Kelland, Soltis, Boldry y Walters, 1993). Todos estos datos muestran una farmacodinámica para la hiperlocomoción y la anestesia en ratas similar a la descrita por Irufine et al. (1991) en ratones. No obstante, estos datos difieren de los obtenidos por Danysz, Essmann, Bresink y Wilke (1994) sobre locomoción y ataxia en ratas. Danysz et al. utilizaron dosis de 20, 60 y 100 mg/kg, y encontraron que sólo la dosis de 100 mg/kg fue efectiva para producir tanto hiperlocomoción como ataxia. Ni a 60 mg/kg, ni a 20 mg/kg se produjeron ninguno de estos efectos, a diferencia de los resultados expuestos previamente. Otro efecto conductual típico de los antagonistas NMDA es la estereotipia. De nuevo, las dosis necesarias para producir estereotipia en ratas y ratones son muy similares. Concretamente, estereotipia, medida por oscilaciones de la cabeza, ha sido obtenida a una dosis mínima de 60 mg/kg en ratas (de entre dosis de 20, 60 y 100 mg/kg) (Danysz et al., 1994) y a 80 mg/kg en ratones (de entre dosis de 20, 40, 80 y 160 mg/kg) (Koek et al., 1989). Considerando todo esto, puede decirse que tanto las dosis como el curso temporal de los efectos de la administración intraperitoneal de ketamina es muy similar en ratas y ratones. En todo caso, y a partir de los resultados de Danysz et al. (1994) es prudente postular que para obtener los mismos efectos en ratas que en ratones puede ser necesario utilizar una dosis algo superior en ratas. Así, el cuadro expuesto resumiendo los resultados de Irufine et al. (1991) en ratones podría ser considerado como indicativo del tiempo máximo al que se estarían produciendo los efectos mencionados en ratas a las dosis especificadas, pudiendo estar el tiempo real algo por debajo del indicado. Esos datos son relevantes para tomar algunas decisiones procedimentales en nuestros experimentos, así como para la interpretación de los resultados. En un intento de eliminar estos efectos, que afectarían a la ejecución, de los efectos sobre el aprendizaje, una estrategia que hemos seguido en nuestros experimentos es tratar de que la experiencia de aprendizaje se produzca pasado el tiempo en que se producen los efectos sobre la locomoción. Claramente, un riesgo de esta estrategia es que este tiempo sea un índice de la duración de los efectos de la ketamina como antagonista NMDA, y que pasado este tiempo la ketamina ya no tenga ningún efecto sobre estos receptores. Sin embargo, existe al menos un trabajo xi
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que muestra que los efectos antagonistas NMDA de la ketamina a dosis bajas duran más tiempo que sus efectos atáxicos o hiperlocomotores (Lannes et al., 1991). La lógica del estudio de Lannes y colaboradores se fundamenta en la interacción que en los ganglios basales se produce entre la vía nigroestriatal (dopaminérgica) y la vía corticoestriatal (glutamatérgica), que están bajo control recíproco (Biggs y Starr, 1997; Calabressi, Pisani, Centonze y Bernardi, 1997; Whitton, 1997). Lannes y colaboradores estudiaron la eficacia de un antagonista NMDA, ketamina, para invertir los efectos de un antagonista dopaminérgico, haloperidol. El haloperidol produce catalepsia. Así, la eficacia de la ketamina para reducir la catalepsia producida por haloperidol es un índice de su antagonismo NMDA. Lannes et al. (1991) administraron primero haloperidol y estudiaron los efectos de la administración posterior de ketamina (intraperitoneal) a varias dosis (15, 22.5 y 30 mg/kg) y en varios momentos (pasados 20, 50, 95 y 170 minutos de la administración de haloperidol). Los resultados que obtuvieron mostraron que la dosis de 15 mg/kg fue inefectiva para reducir la catalepsia inducida por haloperidol. Las dosis de 22.5 y 30 mg/kg mostraron reducción de la catalepsia, observable a los 20 minutos, que se mantuvo a los 50 y a los 95 minutos. A los 170 minutos, si bien aún se observaba cierta reducción con la dosis de 30 mg/kg, ya no era significativa. En definitiva, los efectos antagonistas NMDA de la ketamina administrada intraperitonealmente a una dosis de 30 mg/kg duraron, in vivo, más de 95 minutos y menos de 170 minutos. Esta duración es claramente mayor que los 50 minutos a los que desaparecía el efecto hiperlocomotor con la misma dosis. Esto supone una evidencia indirecta de que el efecto antagonista NMDA de la ketamina se mantiene pasado el tiempo en que se producen efectos sobre la locomoción, y da una oportunidad a que, pasados los efectos sobre la locomoción, existan efectos sobre el aprendizaje.
2.3. El efecto de la ketamina sobre la potenciación a largo plazo Otro efecto de la ketamina de importancia capital para nuestro trabajo es su capacidad para bloquear la PLP. Nuestro interés en la ketamina y los receptores NMDA no es más que una estrategia para estudiar la relación entre PLP y aprendizaje. Ahora bien, si la ketamina no es capaz de bloquear la PLP, no tendría sentido su uso para estudiar la relación entre PLP y aprendizaje. Que el fármaco antagonista NMDA sea capaz de bloquear la PLP es un punto que no siempre se ha cuidado en los estudios que relacionan fármacos antagonistas NMDA con el 374
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aprendizaje. Vamos a repasar a continuación la evidencia que relaciona la ketamina con el bloqueo de la PLP. Existen cuatro estudios, que nosotros conozcamos, en los que se estudie el bloqueo de la PLP in vivo por ketamina. En todos ellos, los animales (ratas) estaban anestesiados. El primero de estos estudios es de Stringer y Guyenet (1983), quienes estudiaron el efecto de ketamina y PCP sobre la PLP en el área CA1 hipocampal. Stringer y Guyenet encontraron que ambos fármacos bloquearon la PLP. En concreto, nos interesan los parámetros bajo los que se consiguió este bloqueo de la PLP. El fármaco se administró intravenosamente en dosis incrementales durante 32 minutos, hasta un total acumulado de 30 mg/kg. Tras esto las ratas fueron estimuladas para producir PLP, no observándose signos de la misma. Este bloqueo de la PLP se mantuvo durante los 45 minutos en que se midieron los efectos de la estimulación. Este trabajo muestra claramente que la PLP es bloqueada por la ketamina a 30 mg/kg. No obstante, la vía de administración fue intravenosa, por lo que los efectos podrían ser diferentes a los obtenidos a partir de administración intraperitoneal de ketamina, el tipo de administración que empleamos en nuestros experimentos. En otros experimentos, no obstante, se ha comprobado el efecto de la ketamina tras su administración intraperitoneal (Maren, Baudry y Thompson, 1991; Tocco et al., 1992; Zhang y Levy, 1992). Otra diferencia de estos experimentos con el anteriormente expuesto es que se estudió la PLP en el giro dentado, no en el área CA114. En el trabajo de Zhang y Levy se estudiaron los efectos de la estimulación tetánica de las aferencias tanto sobre la corteza entorrinal medial como lateral. La dosis de ketamina que utilizaron estos autores fue también de 30 mg/kg, aunque esta vez administrada intraperitonealmente. Para estudiar sus efectos, emplearon un diseño intrasujeto con varias condiciones de inducción de PLP (estimulación de la corteza entorrinal medial o de la corteza entorrinal lateral) y varias condiciones control. Así, para mantener un nivel estable de ketamina en las diferentes condiciones, tras la primera administración de ketamina volvieron a administrar 10 mg/kg cada 15 minutos durante los 90 minutos en que se estudió el efecto de la ketamina. La ketamina bloqueó la inducción de PLP en el giro dentado, tanto ante aferencias provenientes de la corteza entorrinal medial como lateral. Asimismo, pasados 90 minutos tras la última inyección de ketamina (10 mg/kg), la PLP pudo ser inducida en el giro dentado ante estimulaciones de ambas aferencias. Por tanto, 14
En el capítulo III veremos que la PLP tanto en el giro dentado como en el área CA1 hipocampal es dependiente de los receptores NMDA. Por contra, la PLP en el área CA3 no es dependiente de estos receptores. xi
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los resultados de Zhan y Levy muestran un claro bloqueo de la PLP tras la administración de ketamina intraperitonealmente. Si bien este resultado es muy claro respecto a la capacidad de la ketamina para bloquear la PLP, es difícil sacar conclusiones respecto a la dosis del fármaco necesaria para este bloqueo y el tiempo de duración del mismo, dada la administración inicial de 30 mg/kg seguida por administraciones posteriores de 10 mg/kg. Por último, dos trabajos de Baudry, Thompson y colegas (Maren, Baudry y Thompson, 1991; Tocco et al., 1992), ayudan a resolver parte del problema planteado. Como en el trabajo de Zhang y Levy, en estos dos trabajos se estudió la PLP en el giro dentado. Comprobaron que una inyección simple de 30 mg/kg de ketamina intraperitoneal fue suficiente para bloquear la PLP inducida 15 minutos después. Adicionalmente, en el trabajo de Maren, Baudry y Thompson (1991) se comprueba que, si bien la ketamina bloqueó la PLP, el MK-801 fue incapaz de hacerlo. En definitiva, la ketamina es un fármaco eficaz para bloquear la PLP in vivo, tanto administrada intravenosamente como intraventricularmente. Una dosis de 30 mg/kg intraperitoneal es ya suficiente para bloquear la PLP, aunque la duración de este bloqueo no está clara. A dosis similares a ésta, además, la ketamina es claramente subanestésica, y otros efectos conductuales son leves y bastante bien conocidos, como vimos en el apartado anterior. Esto hace de la ketamina un fármaco útil para su administración como antagonista NMDA dentro de una estrategia encaminada a relacionar la PLP con el aprendizaje. Por último, es interesante relacionar estos resultados con los expuestos en el apartado anterior sobre las dosis a las que la ketamina administrada intraperitonealmente muestra antagonismo de los receptores NMDA, medido por la reducción de la catalepsia producida por el haloperidol (Lannes et al., 1991). Estos resultados mostraban que la ketamina es eficaz para antagonizar el receptor NMDA a dosis de 22.5 y 30 mg/kg administradas intraperitonealmente, pero no a una dosis de 15 mg/kg. Esto es coherente con los resultados que acabamos de ver, que indican que la ketamina es eficaz a una dosis de 30 mg/kg administrada intraperitonealmente para bloquear la PLP, y apuntan a un paralelismo entre ambos efectos. Tomados conjuntamente, estos resultados sugieren que una dosis de 22.5 mg/kg de ketamina sería también eficaz para bloquear la PLP, en tanto que una dosis de 15 mg/kg no podría bloquearla. Asimismo, sugieren que el bloqueo de la PLP con una dosis de 30 mg/kg duraría más de 90 minutos y algo menos de 170 minutos. Además, estos datos sobre la duración del bloqueo de la PLP por la ketamina son también coherentes con los expuestos en el trabajo de Zhang y Levy 374
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(1992) más arriba. Aunque estas conclusiones están, obviamente, supeditadas a confirmación experimental, es importante tenerlas en consideración allí donde no hay datos directos, como es el caso de la duración que tiene el efecto bloqueador de la PLP por parte de la ketamina.
2.4. Otros efectos de la ketamina Los efectos de la ketamina sobre la PLP y sus efectos conductuales son los de mayor interés para nosotros, dado el objetivo de nuestro trabajo. Sin embargo, estos no son los efectos por los que la ketamina es más conocida. Ya hemos adelantado alguno de estos otros efectos, como su capacidad anestésica o sus propiedades psicotomiméticas. Además, la ketamina ha sido implicada en muchos otros procesos que han llevado a plantearse su potencialidad terapeútica en diferentes enfermedades y alteraciones del SNC La implicación de la ketamina es consecuencia directa de sus propiedades antagonistas de receptores NMDA y el papel que estos receptores desempeñan en múltiples procesos en el SNC. Además, debido a su facilidad para pasar la barrera hematoencefálica, facilidad que la ketamina comparte con otros antagonistas no competitivos, presenta una gran capacidad de de absorción por el SNC cuando es administrada periféricamente. Esto hace que su uso clínico presente ventajas respecto a la de antagonistas competitivos. Una breve exposición del uso clínico de fármacos antagonistas NMDA y de los argumentos para su utilidad puede encontrarse en Herrling (1994). En Iversen y Kemp (1994) puede encontrarse una exposición específica del uso clínico de los antagonistas no competitivos. Algunas de estas aplicaciones terapeúticas son: terapia anticonvulsiva para reducir ataques epilépticos (Clark et al., 1994; Leander, Rathbun y Zimmerman, 1988); neuroprotección en caso de muerte neuronal producida por daño cerebral isquémico (Weiss, Goldberg y Choi, 1986); o enfermedades degenerativas, como la enfermedad de Parkinson, de Alzheimer, o de Huntington (Ellison, 1995; Garthwaite, 1994; Mitchell y Carroll, 1997; Montastruc, Rascol y Senard, 1997; Murman et al., 1997); servir como modelo animal de esquizofrenia, en los que estudiar el papel, cada vez más importante, que tienen el glutamato y otros AAEs que actúan sobre el receptor NMDA (Farber et al., 1998; Javitt y Zukin, 1991; Kim, Kornhuber, Schmid-Berger y Holzmuller, 1989; SamsDodd, 1996); efectos analgésicos y anestésicos (Haas y Harper, 1992; Reich y Silvay, 1989). Por último, el efecto que nos ocupa en este trabajo, el efecto amnésico de estos fármacos, lo tratamos en el capítulo IV. Obviamente, este efecto no es útil xi
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clínicamente, pero ha puesto de manifiesto la implicación del receptor NMDA en procesos de aprendizaje y memoria. Esto está llevando a la investigación de fármacos que potencien el aprendizaje, en lugar de deteriorarlo y, como se expuexto más arriba, ya se han encontrado interesantes resultados con fármacos que actúan modulando el receptor NMDA merced a su acción como agonistas sobre el lugar de acción de la glicina en el receptor, como la D-cicloserina (Baxter et al., 1994; Flood, Morley y Lanthorn, 1992; Quartermain et al., 1994; Land y Riccio, 1997; Monahan, Handelmann, Hood y Cordi, 1989; Pitkanen et al., 1995; Riekkinen et al., 1997; Thompson y Disterhoft, 1997a; Thompson, Moskal y Disterhoft, 1992).
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CAPÍTULO III. LA POTENCIACIÓN A LARGO PLAZO Y SU RELACIÓN CON EL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA 1. Caracterización de la PLP 1.1. Propiedades de la PLP 1.1.1. Duración 1.1.2. Especificidad 1.1.3. Cooperatividad y umbral de activación 1.1.4. Asociatividad 1.1.5. Dependencia de la actividad conjunta presináptica y postsináptica 1.2. PLP y ritmo theta hipocampal
2. Mecanismos bioquímicos responsables de la iniciación de PLP 2.1. PLP dependiente y PLP independiente de los receptores NMDA 2.2. El receptor NMDA como dispositivo que opera según la regla de Hebb
3. Mecanismos bioquímicos responsables del mantenimiento y la expresión de PLP 3.1. Cambios a nivel postsináptico 3.1.1. La naturaleza del mecanismo 3.1.1.1. Papel de enzimas dependientes del Ca2+ 3.1.1.2. Papel de la síntesis de proteínas 3.1.2. Modificaciones resultantes a nivel postsináptico 3.2. Cambios a nivel presináptico 3.2.1. Aumento de la liberación de neurotransmisor 3.2.2. Mensajeros retrógrados
4. Implicación de la PLP en el aprendizaje y la memoria 4.1. Estudios correlacionales entre la magnitud de la PLP y la magnitud de la memoria 4.2. El efecto de la experiencia y el aprendizaje sobre la PLP 4.3. El efecto de la inducción de PLP en el posterior aprendizaje 4.4. Similitud en los efectos de tratamientos sobre la PLP y el aprendizaje 4.5. El papel de los receptores NMDA en el desarrollo del cerebro dependiente de la experiencia 4.6. Aumento del número de receptores relacionado con la PLP y el aprendizaje 4.7. Estudios con mutantes: en busca del gen responsable de la PLP y el aprendizaje
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Capítulo III La potenciación a largo plazo y su relación con el aprendizaje y la memoria
La potenciación a largo plazo (PLP) es la forma de plasticidad sináptica con más posibilidades de estar implicada en el aprendizaje y la memoria que se conoce o ha conocido alguna vez. Desde su descubrimiento, en 1973, en ningún otro momento de la historia de las neurociencias ha habido tanta investigación sobre los mecanismos neuronales e incluso moleculares responsables de que aprendamos y recordemos. La PLP consiste en un incremento de la eficacia de una sinapsis, que puede durar incluso meses, como consecuencia de la estimulación intensa del terminal presináptico. Los argumentos que implican a la PLP en el aprendizaje y la memoria son tanto teóricos como empíricos. En la primera parte de este capítulo veremos algunas de las características de la PLP que muestran su relación teórica con el aprendizaje y la memoria. En la segunda parte, los mecanismos responsables tanto de su iniciación como de su mantenimiento. En la última parte del capítulo haremos un recorrido por los diferentes tipos de estudios que han relacionado la PLP con el aprendizaje y la memoria. Este recorrido terminará en el siguiente capítulo. En lo que sigue no pretendemos hacer una exposición detallada de la PLP, sino centrarnos en las características que más nos interesan, relacionadas con ser un modelo de plasticidad sináptica del aprendizaje y la memoria. Una amplia revisión de la PLP puede encontrarse en los monográficos de Baudry y Davis (1991, 1994) dedicados a esta forma de plasticidad sináptica. Asimismo, un excelente artículo de revisión es el de Bliss y Collingridge (1993), y revisiones más recientes pueden encontrarse en los artículos de Maren y Baudry (1995), Martínez y Derrick (1996),
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McEachern y Shaw (1996), Medina e Izquierdo (1995), Rison y Stanton (1995) o Shors y Matzel (1997).
1. Caracterización de la PLP Bliss y Lomo (1973), trabajando con el hipocampo de conejos anestesiados, encontraron que la estimulación tetánica de la vía perforada producía un incremento tanto del pico como de la amplitud de los potenciales postsinápticos del giro dentado, y reducía el umbral necesario para producir un potencial de acción en la población de neuronas postsinápticas. La potenciación de la respuesta postsináptica ante la estimulación posterior de la vía perforada podía durar hasta 10 horas. Bliss y Gardner-Medwin (1973) encontraron el mismo fenómeno en el animal despierto y hallaron que en él la potenciación llegaba a permanecer hasta 16 semanas. Así, a nivel fisiológico la PLP puede ser definida como un incremento estable, de larga duración, de la respuesta postsináptica a una estimulación aferente constante, tras la estimulación tetánica breve de los mismos aferentes (Teyler y DiScenna, 1987). La duración es una característica fundamental y definitoria de la PLP. La PLP también puede observarse en preparaciones in vitro, habiéndose obtenido en secciones de hipocampo del área CA1 (Schwartzkroin y Wester, 1975), del área CA3 (Yamamoto y Chujo, 1978) y del giro dentado (Alger y Teyler, 1976). La posibilidad de estudiar el mismo fenómeno de plasticidad in vivo e in vitro ha permitido durante estos años abordar el fenómeno tanto desde el nivel bioquímico como desde el nivel conductual, permitiendo una complementariedad de perspectivas acorde a la comunicación entre niveles propuesta por Marr (1982), y que raramente ha sido posible en el campo de las neurociencias. Respecto a su localización ya hemos apuntado que fue descubierta en el hipocampo. Sin embargo, desde su descubrimiento se ha encontrado PLP en multitud de lugares en el sistema nervioso. Además de en las diferentes áreas del hipocampo (CA1, CA3 y giro dentado), destaca que también se ha encontrado en diferentes áreas de la corteza sensorial y motora, en la corteza prefrontal, en la corteza piriforme, en la corteza entorrinal, en el subiculum, en el septum, en el núcleo geniculado medial del tálamo, en la amígdala, en el núcleo accumbens, en el cerebelo o en las astas ventrales de la médula. También se ha encontrado PLP en el sistema nervioso periférico de mamíferos, en vertebrados no mamíferos y en invertebrados (revisiones de la distribución de la PLP en el sistema nervioso pueden encontrarse en Bear y Kirkwood, 1993; Laroche, Doyère, Rédini-Del Negro y Burette, 1995; Shors y Matzel, 1997 o Teyler y DiScenna, 1987). No obstante, 374
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conviene advertir que se suele identificar como PLP a cualquier fenómeno de potenciación sináptica de mayor duración que la potenciación postetánica (que puede durar, a lo sumo, varios minutos), sin atender a sus mecanismos de iniciación ni de expresión. Así, varios autores han advertido de que existe el riesgo de identificar como un único proceso lo que podrían ser fenómenos diferentes (Larson, Ambros-Ingerson y Lynch, 1991; Shors y Matzel, 1997; Teyler y DiScenna, 1987). Esto podría explicar cierta heterogeneidad de datos concernientes al tiempo de duración, a los parámetros de iniciación, al tipo de receptor implicado, a la 2+ implicación del flujo de Ca , etc. De hecho, incluso en el hipocampo se han encontrado diferentes formas de PLP, dependiendo del área hipocampal implicada, como se expone más adelante. El hipocampo ha sido y sigue siendo el lugar favorito donde estudiar PLP (Baudry y Davis, 1991; Bliss y Collingridge, 1993), hasta el punto de que algunos autores llegan a definirla como un incremento de la fuerza sináptica propio del hipocampo (Madison, Malenka y Nicoll, 1991). En la figura 3.1 se muestra la anatomía básica del hipocampo y las áreas en las que puede observarse PLP.
Figura 3.1. Anatomía del hipocampo y áreas en las que se observa PLP. La dirección de las flechas indica el sentido del flujo de información. Existen tres vías excitatorias principales, que, por orden, son: (1) la la vía perforada, que conecta la corteza entorrinal con las células granulares situadas en el giro dentado; (2) las fibras musgosas, cuyos axones parten de las células granulares del giro dentado para hacer sinapsis con las células piramidales en el área CA3; y (3) los colaterales de Schaeffer, formados por los axones de las neuronas piramidales de CA3 que hacen sinapsis con las neuronas piramidales en CA1. Las áreas CA1, CA3 y giro dentado muestran PLP. En las áreas CA1 y giro dentado puede observarse PLP asociativa, dependiente de los receptores NMDA. La PLP en el área CA3 tiene diferentes propiedades. En la figura se observa una situación de registro extracelular de las neuronas piramidales de CA1 (adaptado de Rison y Stanton, 1995).
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En el hipocampo, la PLP en el área CA1 es similar a la que se obtiene en el giro dentado, pero diferente a la que se observa en el área CA3. La PLP en el área CA1 y en el giro dentado constituye el modelo más característico de PLP (Madison et al., 1991). Por su dependencia de la actividad simultánea de las neuronas pre- y postsinápticas, al estilo de la regla de Hebb, es ésta la forma de PLP más interesante para los estudiosos del aprendizaje (Brown, Chapman, Kairiss y Keenan, 1988; Brown, Kairiss y Keenan, 1990a) y sobre la cual trataremos preferentemente en este capítulo. Como se expone más adelante, la PLP en las áreas CA1 y giro dentado es dependiente de los receptores NMDA, en tanto que la PLP en el área CA3 no lo es. Así, aunque se utilice el nombre genérico de PLP, conviene aclarar que gran parte de lo que se expone a continuación es válido para la PLP en el área CA1 y el giro dentado, dependiente de los receptores NMDA. Además de ser la más interesante para nosotros como estudiosos del aprendizaje, es la forma más conocida y documentada de PLP. El hecho de ser un fenómeno de plasticidad muy duradero, su dependencia de la actividad simultánea pre- y postsináptica y su localización en el hipocampo, estructura consistentemente implicada en procesos de aprendizaje y memoria, hacen de la PLP un mecanismo neuronal candidato para ser responsable de procesos de aprendizaje y memoria. A continuación se exponen, en primer lugar, las propiedades de la PLP más importantes para su consideración como un modelo de plasticidad sináptica de aprendizaje y memoria. Posteriormente, se expone la relación existente entre el ritmo theta electroencefalográfico, típico del hipocampo, y la PLP. Esta relación ha sido descubierta recientemente y resulta muy sugerente.
1.1. Propiedades de la PLP 1.1.1. Duración La primera propiedad que debe tener una forma de plasticidad sináptica candidata a ser un mecanismo de almacenamiento de información es que sea suficientemente duradera. Aunque se conocen diferentes formas de plasticidad sináptica en el sistema nervioso diferentes a la PLP, todas ellas son de relativa corta duración (para una revisión de estas formas de plasticidad sináptica a corto plazo véase Zucker, 1989). Cuando el incremento en la eficacia sináptica dura un segundo o menos se habla de facilitación sináptica. La aumentación (augmentation), por su parte, tiene una vida media de varios segundos. En la potenciación postetánica el 374
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incremento del potencial postsináptico puede durar varios minutos. Hemos visto que la PLP tiene un periodo de duración mucho mayor. En preparaciones in vivo la PLP puede durar varios meses (Bliss y Gardner-Medwin, 1973; de Jonge y Racine, 1985). La duración de la PLP ha sido el primer argumento (Barnes, 1979) y uno de los principales que se utilizan en la actualidad para implicarla en procesos de aprendizaje y memoria (Diamond y Rose, 1994; Martínez y Derrick, 1996). No obstante, la duración de la PLP también ha sido esgrimida como un argumento contra su posible función como un mecanismo sináptico responsable de la memoria (Gallistel, 1995; Shors y Matzel, 1997). La argumentación en contra de su participación en procesos de memoria se basa en el hecho de que la PLP tiene una duración limitada, en tanto que algunas memorias persisten durante toda la vida. Sin embargo, esta crítica ignora el hecho de que la memoria no es un fenómeno unitario, sino que incluye diferentes sistemas y estructuras anatómicas que, presumiblemente, incluirán también diferentes mecanismos neuronales (Schacter y Tulving, 1994). Y, hasta nuestro conocimiento, nadie ha propuesto que la PLP sea la única forma de plasticidad sináptica implicada en la memoria. Más aún, dado que la PLP es característica del hipocampo, y dado que el hipocampo parece tener un papel en la memoria restringido temporalmente (ver p. ej., Zola-Morgan y Squire, 1993), no es esperable que, si la PLP fuera un proceso implicado en tareas de memoria en el hipocampo, produjese cambios en la eficacia sináptica que durasen toda la vida. Con todo, la duración de la PLP hace de ella un fenómeno de plasticidad sináptica ideal para ser considerado un posible mecanismo de almacenamiento de la información.
1.1.2. Especificidad En el aprendizaje asociativo se produce un aprendizaje específico de la relación entre el estímulo y la respuesta implicados en la experiencia de aprendizaje. Estímulos diferentes al entrenado no tienen efecto alguno sobre la respuesta aprendida15. Esta elemental idea impone una restricción similar a cualquier mecanismo neuronal que pretenda explicar el aprendizaje asociativo. Así, por ejemplo, la PLP puede ser inducida en CA1 estimulando cualquiera de dos vías independientes: stratum oriens y stratum radiatum. La estimulación tetánica de una vía produce un posterior incremento de los potenciales postsinápticos en CA1 ante 15
Esto es cierto con las matizaciones provenientes del principio de generalización. No obstante, este principio no contradice la idea, simplemente establece una gradación entre estímulos en función de su similitud. En la medida en que dos estímulos se parezcan un estímulo podrá evocar las respuestas aprendidas para el otro. xi
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posteriores estimulaciones simples de la misma vía. Sin embargo, si la estimulación posterior se produce en la vía alternativa se producen potenciales postsinápticos normales en CA1 (Andersen et al., 1980). Así, la potenciación de la respuesta postsináptica es específica para la vía condicionada (estimulada tetánicamente) (fig. 3.2). La especificidad de la PLP está bastante documentada (Schwartzkroin y Wester, 1975; Andersen et al., 1980; Dunwiddie y Lynch, 1978; Barrionuevo y Brown, 1983, entre otros). Vimos en el capítulo I que, incluso, en las vías alternativas a las potenciadas es común obtener el efecto opuesto a la PLP, una depresión de la eficacia sináptica de larga duración (DLP).
Entrenamiento
A
Prueba
SR
SO
SR
CA1
SO
Entrenamiento
CA1
Prueba
B SR
SO
SR
CA1
SO
CA1
Estimulación tetánica presináptica
Estimulación normal presináptica
Ausencia de actividad
Actividad postsináptica potenciada
Figura 3.2. La PLP es específica para las aferencias que la producen. (A) La estimulación tetánica de stratum oriens (SO) produce PLP en CA1, observable tanto inmediatamente como en una prueba posterior ante estimulación simple de SO. (B) La estimulación tetánica de stratum radiatum (SR) produce PLP en CA1. Sin embargo, en una prueba posterior, no se observa potenciación ante estimulaciones simples de la otra aferencia (SO) (en la figura no se representan neuronas, sino poblaciones de neuronas).
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La especificidad se explica por la agrupación de los receptores NMDA en la 2+ cabeza de las espinas dendríticas, y por la limitada dispersión que el Ca , que origina la secuencia de procesos que explican el mantenimiento de la PLP (ver más abajo), tiene en la neurona postsináptica. En conjunto, esto hace que la dispersión 2+ del Ca en el terminal postsináptico quede limitado espacialmente al lugar de contacto de la sinapsis que ha originado la estimulación, explicando así la especificidad de la potenciación para esa sinapsis (Brown et al., 1988).
1.1.3. Cooperatividad y umbral de activación La noción de cooperatividad en la PLP hace referencia a que la magnitud de la potenciación producida es una función directa de la cantidad de aferencias activadas (o activación presináptica). No obstante, existe un umbral de activación -despolarización- postsináptico, por debajo del cual no se desarrolla PLP, o dicho de otra manera, es necesario un número mínimo de aferencias que despolaricen en grado suficiente el terminal postsináptico para que se produzca PLP. Este umbral de activación está cerca del umbral necesario para producir el disparo en la población de neuronas postsinápticas, aunque este disparo no es necesario para que exista PLP (McNaughton, Douglas y Goddard, 1978). Así, aunque estimulemos tetánicamente una vía que sinapte en CA1 o en el giro dentado, si no contiene un número suficiente de aferencias no se producirá PLP. La misma estimulación en una vía que contenga aferencias más importantes produciría PLP. La explicación de esta característica tiene mucho que ver con la explicación de la siguiente, la asociatividad.
1.1.4. Asociatividad Hemos visto que para que se produzca PLP basta con que las aferencias sean estimuladas tetánicamente. Según esto, no parece que sea necesaria la estimulación del terminal postsináptico. Conviene aclarar, entonces, por qué se dice que la PLP opera siguiendo el principio de Hebb, que requiere la activación simultánea del terminal presináptico y postsináptico. Simplemente, la estimulación tetánica aferente produce una importante despolarización en el terminal postsináptico. Esta despolarización es la activación de la neurona postsináptica. Ya hemos visto que si el conjunto de aferencias no es suficientemente importante no se produce PLP, ni tampoco se produce PLP con estimulaciones no tetánicas, dado que ni en un caso ni en otro se produce la despolarización suficiente. Por tanto, decimos que la PLP obedece a la regla de Hebb porque para que se desarrolle es necesario que coincidan xi
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en el tiempo la estimulación presináptica con un grado suficiente de despolarización postsináptica. Esta forma de PLP es conocida como PLP homosináptica, porque sólo implica a una sinapsis. Como dijimos en el capítulo I, esta característica es suficiente para que veamos en la PLP un mecanismo de plasticidad sináptica asociativo que opera en tiempo real. A pesar de que la PLP homosináptica supone un mecanismo básico de asociación, no se la conoce como PLP asociativa. Este nombre queda reservado para otra forma de PLP, cuyas características son aún más sugerentes como posible mecanismo implicado en el aprendizaje asociativo. Hemos visto que en la PLP intervienen dos conjuntos de neuronas: las que son estimuladas y las que responden. En términos conductuales, tendríamos el estímulo y la respuesta. Sin embargo, en el aprendizaje asociativo se necesita, al menos, un estímulo más. Concretamente, en el condicionamiento clásico la contigüidad temporal entre un estímulo neutro (estímulo débil), que no provoca respuesta y otro incondicionado (estímulo fuerte), que provoca una respuesta incondicionada, hace que el estímulo neutro pase a provocar la respuesta. Un fenómeno muy similar puede observarse en lo que es conocido como PLP asociativa. En la PLP asociativa interviene un tercer conjunto de neuronas, anatómicamente diferenciadas, que también hace sinapsis con la población en la que se espera obtener potenciación, pero su unión con ellas es más débil. Cabe hablar, así, de input débil e input fuerte. Con estos elementos, Levy y Steward (1979) encontraron que la estimulación tetánica de un input fuerte al giro dentado (la vía perforada ipsilateral, con más del 90% de las sinapsis) provocaba PLP en el mismo. La estimulación tetánica de un input débil (vía perforada contralateral, con menos del 10% de las sinapsis) que también hace sinapsis con el giro dentado no era, sin embargo, suficiente para producir PLP. No obstante, si el input débil y el input fuerte eran activados conjuntamente se producía posterior PLP al input débil. Este resultado también se ha encontrado en preparaciones in vitro (Barrionuevo y Brown, 1983). La analogía de la PLP con el condicionamiento clásico resulta inmediata y muy sugerente (fig. 3.3).
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A
Entrenamiento
Prueba
EC
EI
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EC?
RI
EI
NR
B EC
EC?
NR
EI
EI
NR
C EC
EC?
RI
EI
EI
RC
Input fuerte
Input débil
Estimulación tetánica presináptica
Estimulación normal presináptica
Ausencia de actividad
Actividad postsináptica potenciada
EC, EI, RC y RI: significado habitual en el condicionamiento clásico. NR: no respuesta.
Figura 3.3. PLP asociativa y su relación con el condicionamiento clásico. Un input débil no puede producir PLP a pesar de que sea estimulado tetánicamente, aunque sí si su activación se produce junto a la de un input fuerte. (A) La estimulación tetánica del input fuerte por sí solo produce potenciación en el terminal postsináptico. Esta potenciación es específica para el input fuerte, y no se produce en una prueba posterior ante estimulación del input débil. En términos de condicionamiento, el EI produce la RI, aunque esta presentación no es suficiente para que en la fase de prueba posterior se produzca respuesta al EC. (B) La estimulación tetánica del input débil es, por sí solo, insuficiente para producir potenciación en el terminal postsináptico. Por tanto, ante una prueba posterior con la misma estimulación tampoco se observa potenciación. En términos de condicionamiento, el EC, por sí solo, es insuficiente para producir una respuesta, ni en la fase de entrenamiento ni en la fase de prueba. (C) La estimulación tetánica conjunta del input débil e input fuerte produce potenciación en el terminal postsináptico. En una prueba posterior, presentaciones sólo del input débil son suficientes para producir la respuesta potenciada. En términos de condicionamiento, la presentación conjunta del EC y el EI producen una respuesta (RI). En una prueba posterior, presentaciones del EC solo son suficientes para producir la respuesta (RC).
Aún pueden encontrarse más similitudes formales en las condiciones necesarias para producir condicionamiento clásico y PLP asociativa. Levy y Steward xi
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(1983) encontraron un doble condicionante temporal para que la PLP asociativa pudiera desarrollarse en el giro dentado. En primer lugar, la estimulación del input débil debía ser inmediatamente anterior al input fuerte o, en todo caso, simultánea. No se producía PLP al input débil cuando el orden de estimulación era invertido. En segundo lugar, encontraron una estrecha ventana temporal (menos de 200 ms.) dentro de la cual debían producirse ambas estimulaciones. Fuera de este intervalo no se observó PLP asociativa. Resultados muy similares han sido obtenidos por Kelso y Brown (1986) en estudios in vitro en otro área del hipocampo, CA1. Kelso y Brown situaron tres electrodos de estimulación en diferentes aferencias a CA1, dos para estimular débilmente y el otro para producir una estimulación fuerte. No se observó potenciación a ninguno de los estímulos débiles tras la estimulación del input fuerte ni tras la estimulación conjunta de los inputs débiles. Sin embargo, cuando cualquiera de las estimulaciones débiles precedía a la estimulación fuerte en 200 ms. y terminaba con ella, se observó una clara PLP a la estimulación débil que había sido emparejada, aunque no a la otra. Esta potenciación no se producía cuando la estimulación débil comenzaba 600 ms. después de la fuerte. En el condicionamiento clásico, los efectos de orden y de contigüidad temporal son también críticos. Sin duda, esta analogía entre el condicionamiento clásico y la PLP asociativa resulta fascinante. No obstante, la analogía entre PLP y condicionamiento clásico ha sido criticada (Diamond y Rose, 1994; Gallistel, 1995; Martínez y Derrick, 1996). El argumento básico de esta crítica es que las condiciones temporales del condicionamiento clásico y la PLP son diferentes, tanto en lo referente al intervalo entre estímulos necesario como al orden de presentación de las estimulaciones. Por ejemplo, Diamond y Rose argumentan que el intervalo de huella -entre el final del input débil y el comienzo del input fuerte- más largo efectivo para producir PLP es 40 ms., en tanto que en el condicionamiento es fácil obtener aprendizaje con huellas claramente mayores. Como ejemplo más significativo de esta diferencia de condiciones temporales, indican que en algunos casos es posible obtener PLP hacia atrás -el input fuerte precediendo al input débil-, en tanto que el condicionamiento hacia atrás no se produce. Por estas diferencias en los parámetros temporales y otras similares, Diamond y Rose rechazan la analogía entre PLP y condicionamiento clásico y la consideran de cuestionable valor heurístico. Merece la pena hacer algún comentario sobre estas críticas. Por ejemplo, respecto al condicionamiento hacia atrás, desde el descubrimiento del condicionamiento clásico es una cuestión polémica si es o no posible el condicionamiento hacia atrás, mostrando el propio Pavlov posturas diferentes al 374
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respecto (1927 y 1928). Posteriormente, a pesar de la existencia de algunos experimentos en los que sí se logró obtenerlo, la visión generalmente aceptada ha sido que no existían evidencias suficientemente claras para aceptar la existencia del condicionamiento hacia atrás, atribuyéndose los resultados positivos a la ausencia de controles para fenómenos como el pseudocondicionamiento (Mackintosh, 1974). Sin embargo, más modernamente, se acepta que “existe ahora perfectamente evidencia adecuada de que el condicionamiento excitatorio puede ocurrir hacia atrás (EI-EC), bajo la adecuada elección de parámetros” (Hall, 1994, p. 25). La explicación parece ser tan simple como que, con los parámetros adecuados, la huella del EI persistiría hasta la presentación del EC. No obstante, más allá de que sea errónea o discutible la falta de correspondencia argumentada entre PLP y condicionamiento clásico, a nuestro juicio, no es éste el punto crítico. Creemos que el error fundamental es la facilidad con la que se rechaza la posibilidad siquiera de una analogía de tal trascendencia en base a las diferencias paramétricas observadas entre el condicionamiento clásico y la PLP. Por un lado, como hemos visto respecto al condicionamiento hacia atrás, tras casi un siglo de investigación el tema sigue abierto. La solución en este caso, como en muchos otros, parece depender de la elección de los parámetros adecuados. La PLP fue descubierta hace escasamente 20 años y las preparaciones con las que se ha tratado de inducir PLP son prácticamente idénticas. Es muy posible que los parámetros temporales sean un artefacto de la preparación experimental, y que cambiando los procedimientos de estimulación, eligiendo otras aferencias, etc. se obtengan resultados diferentes, como imposibilidad de obtener PLP hacia atrás o la obtención de PLP tras una huella mayor entre la estimulación débil y fuerte. En definitiva, en la investigación resulta muy común que cuestiones paramétricas enmascaren la verdadera naturaleza de un fenómeno. Por tanto, no parece acertado cuestionar el valor heurístico, generador, de la analogía entre PLP y condicionamiento clásico en virtud de argumentos paramétricos. Aun a pesar de que, como hemos argumentado, creemos que la coincidencia de parámetros temporales entre PLP y condicionamiento clásico no es necesaria para mantener la analogía, por simples razones de objetividad es conveniente hacer algún comentario en apoyo de la analogía. En primer lugar, la explicación de por qué se obtiene PLP hacia atrás es que, dado que la función del input fuerte es despolarizar el terminal postsináptico, se producirá PLP siempre que el efecto despolarizador del input fuerte permanezca hasta que se produzca la estimulación débil; con otras palabras, que la huella del input fuerte permanezca hasta la presentación del input débil. Hemos visto que ésta es la misma explicación de por qué se produce xi
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condicionamiento hacia atrás. En segundo lugar, no existe coincidencia alguna entre los parámetros temporales de multitud de fenómenos de condicionamiento clásico. En el extremo tenemos dos procedimientos típicos y representativos de condicionamiento clásico, como el condicionamiento de la aversión a un sabor, en el que el intervalo entre EC y EI puede ser de más de una hora, y el condicionamiento de la membrana nictitante del conejo, en el que se obtiene condicionamiento con huellas máximas menores a un segundo. A pesar de estas diferencias paramétricas, nadie duda de que ambos procedimientos encierran un mismo fenómeno: el condicionamiento clásico. En tercer lugar, dadas estas diferencias paramétricas entre procedimientos de condicionamiento, ¿con los parámetros de qué procedimiento deberían coincidir los de la PLP? Si tuviese sentido responder a esta pregunta, y teniendo en cuenta la localización preferente de la PLP en el hipocampo, la respuesta sería que, idealmente, estos parámetros deberían coincidir con los de un procedimiento de condicionamiento cuyo circuito neuronal estuviese bien identificado y se mostrara dependiente del hipocampo. Pues bien, el intervalo entre estímulos óptimo para obtener PLP coincide casi de forma exacta con el intervalo óptimo para obtener condicionamiento de la membrana nictitante del conejo (200 ms.), y tanto la PLP como este tipo de condicionamiento están íntimamente relacionados con el hipocampo (p. ej., Berger y Weisz, 1987). Todo esto no es para decir que sí existe coincidencia de parámetros temporales entre el condicionamiento y la PLP, ni para extender la analogía entre ambos fenómenos, sino para mostrar que es tan fácil argumentar en contra de la existencia de coincidencia en los parámetros temporales como a favor de ella. Creemos que sobre esta coincidencia hay que ser muy prudentes. Y más aún sobre otro aspecto de la analogía apenas mencionado por los autores críticos con ésta citados más arriba: la traducción de EC a estímulación débil y EI a estímulación fuerte. Esta traducción supone la identificación del estímulo a nivel conductual con su representación neuronal. Sin duda, hasta hoy, esto no deja de ser un deseo, y ni los estímulos empleados habitualmente en condicionamiento son traducibles a respuestas neuronales bien identificadas, ni las estimulaciones de aferencias al giro dentado o a CA1 son traducibles en términos de estímulos a nivel conductual. Pero, más allá de estas dificultades, creemos que es apresurado rechazar la analogía entre PLP asociativa y condicionamiento clásico en base a los datos obtenidos hasta hoy. Y en todo caso, pensamos que la analogía es, como tantas otras, de extraordinario valor heurístico. Martínez y Derrick (1996), basándose en la diferencia discutida entre los requerimientos de orden de la estimulación entre PLP asociativa y condicionamiento 374
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clásico, también rechazan la analogía y proponen otra en su lugar: PLP asociativa y precondicionamiento sensorial16. Como en el precondicionamiento sensorial ambos estímulos son neutros y no evocan respuesta (a diferencia del condicionamiento clásico convencional, en el que el EC, que no evoca respuesta en un principio debe preceder al EI, que la evoca), Martínez y Derrick razonan que no es necesario un orden determinado entre estimulaciones para producirlo, lo que asimilaría el precondicionamiento sensorial a la PLP. Aquí también merece la pena hacer alguna puntualización. En primer lugar, el precondicionamiento sensorial es una forma de condicionamiento clásico, compartiendo ambos las mismas leyes (Aguado, 1982, 1989; Mackintosh, 1974). Por tanto, resulta difícil que algo pueda ser un análogo del precondicionamiento sensorial sin serlo previamente del condicionamiento clásico. En segundo lugar, debido a que el precondicionamiento sensorial es una forma de condicionamiento clásico, un estímulo es el predictor y otro el predicho. Así, si A precede consistentemente a B, A se convierte en predictor de B, pero no B en predictor de A, por más que ambos estímulos sean neutros. Para que B se convierta en predictor de A, debe ser B el que preceda a A. Por tanto, el orden en el precondicionamiento sensorial es, al igual que en el condicionamiento clásico convencional, definitorio de la asociación que se forma17. Por último, con la analogía del precondicionamiento sensorial se pierde uno de los elementos de mayor interés de la analogía con el condicionamiento clásico: el que relaciona a un input débil con el EC al no evocar ninguno la respuesta, y el input fuerte al EI, al evocar ambos la respuesta de interés; sin que, por otro lado, se resuelva el problema de la identificación entre el estímulo y su representación neuronal. Para acabar este punto, vamos a recordar la idea con la que lo comenzamos. El principal valor de la PLP como mecanismo asociativo está más allá de la plausibilidad de la analogía entre PLP y condicionamiento clásico y reside en que, merced al receptor NMDA, la PLP es un dispositivo de plasticidad que opera, en tiempo real, según un algoritmo hebbiano. Estamos de acuerdo con Diamond y Rose en que éste es el mayor valor que encierra la PLP como posible mecanismo de aprendizaje. La idea de que la PLP es un mecanismo asociativo que opera bajo la 16
El precondicionamiento sensorial es una forma de condicionamiento clásico en la que se asocian dos estímulos neutros, que no evocan respuesta. En un diseño típico de precondicionamiento sensorial se emparejan repetidamente, y siempre en el mismo orden, dos estímulos neutros (A B). En una fase posterior se asocia el segundo estímulo (B) con un EI (B EI). Finalmente, se hace la prueba ante el primer estímulo (A). Los sujetos aprenden a predecir el EI a partir de A. Para que esta respuesta se produzca es necesario postular el aprendizaje de la asociación A B (precondicionamiento sensorial), la asociación B EI, y un proceso por el que el sujeto relacione ambas asociaciones (si A B, y si B EI, entonces A EI). 17 No obstante, lo que sí parece cierto es que la presentación simultánea de estímulos es un procedimiento más eficaz para obtener precondicionamiento sensorial que para obtener condicionamiento clásico con ECs y EIs (Rescorla, 1980).
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regla de Hebb permite ver en esta forma de plasticidad un mecanismo subyacente al condicionamiento clásico, pero también subyacente a otros tipos de aprendizaje. Esto dependería, simplemente, del circuito cerebral en el que la PLP se desarrollara.
1.1.5. Dependencia de la actividad conjunta presináptica y postsináptica. Para que se produzca PLP es necesario la coincidencia temporal de actividad en las neuronas presináptica y postsináptica. Más que otra característica que describa la PLP, ésta es la explicación tanto de la cooperatividad como de la asociatividad. Hasta ahora hemos expuesto la analogía formal entre la PLP y el aprendizaje asociativo. Pues bien, un algoritmo básico sugerido para dar cuenta del aprendizaje, la regla de Hebb, postula como mecanismo para que se produzca el aprendizaje esta misma coincidencia temporal entre la activación de neuronas. Así, la analogía entre las características del aprendizaje asociativo y la PLP no sólo se produce a nivel descriptivo, sino también a nivel explicativo. La cooperatividad se produce como consecuencia de que la estimulación tetánica de las neuronas presinápticas produce una inmediata despolarización, por encima de un umbral, de las neuronas postsinápticas, coincidiendo en el tiempo la actividad presináptica con la despolarización postsináptica. Si la estimulación no fuese suficientemente intensa, por no intervenir un número suficiente de aferencias (cooperatividad), no se produciría la suficiente despolarización postsináptica y, por tanto, no se produciría la coincidencia temporal de ésta con la actividad presináptica. La estimulación tetánica es necesaria porque supone una estimulación, aunque breve, continua del terminal postsináptico. Esa estimulación continuada va produciendo la sumación temporal de pequeñas despolarizaciones que se producen en el terminal postsináptico con la llegada del neurotransmisor (potencial postsináptico), hasta que la despolarización postsináptica alcanza un umbral18. La estimulación tetánica garantiza que la despolarización postsináptica supraumbral coincida en el tiempo con la actividad presináptica. Esta coincidencia temporal es el requerimiento básico de la regla de Hebb. Conviene notar, no obstante, que es un grado suficiente de despolarización postsináptica, y no el disparo, el requisito 18
La sumación temporal de despolarizaciones es, asimismo, la responsable de que en las neuronas postsinápticas se produzca una despolarización supraumbral que origine un potencial de acción o disparo. Sin embargo, la despolarización postsináptica necesaria para el establecimiento de PLP en una población de neuronas, aunque cercana, no es la misma que la requerida para el disparo de esa población. El disparo de la población no es, por tanto, necesario para el establecimiento de PLP (McNaughton et al., 1978; Teyler y DiScenna, 1987). 374
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necesario en la neurona postsináptica que debe coincidir con el disparo de la neurona presináptica y que esto supone una interpretación amplia de la regla de Hebb. Por el mismo mecanismo se explica la asociatividad. Un input débil no produce PLP al no contener el número de aferencias necesario para despolarizar suficientemente el teminal postsináptico, incluso siendo estimulado tetánicamente. Pero si su estimulación se asocia a la de un input fuerte que haga sinapsis en un lugar cercano, la sumación temporal y espacial de ambas estimulaciones es suficiente para producir la despolarización necesaria del terminal postsináptico. Esto es lo que se produce en la PLP asociativa. Por tanto, la sumación de las despolarizaciones postsinápticas produce una coincidencia de activación entre las neuronas presinápticas y postsinápticas, que da cuenta de las propiedades de cooperatividad y asociatividad. Por último, de todo lo anterior se deduce que la despolarización de la neurona postsináptica es el elemento crítico para el establecimiento de PLP, y que la estimulación tetánica aferente es sólo un procedimiento para producir esa despolarización. Si esto es así, la PLP debería poder ser producida en ausencia de estimulación tetánica, si se despolariza por otros medios el terminal postsináptico coincidiendo con la actividad del terminal presináptico. Efectivamente, esto ha sido demostrado. Si se hace coincidir la estimulación simple de las fibras presinápticas a CA1 con la despolarización mediante electrodos de las neuronas piramidales de CA1 se obtiene PLP (Kelso, Ganong y Brown, 1986; Wigstrom, Gustafsson, Huang y Abraham, 1986). La idea de que éste es el mecanismo por el que la estimulación tetánica produce PLP queda reforzada por el hecho de que se reproducen las condiciones temporales de estimulación descritas por Levy y Steward (1983) y Kelso y Brown (1986) necesarias para que se produzca PLP asociativa. Se produce potenciación cuando la actividad presináptica coincide con la despolarización postsináptica o la precede en menos de 100 ms, y no es posible obtener PLP cuando la despolarización postsináptica precede a la actividad presináptica (Gustafsson, Wigstrom, Abraham y Huang, 1987) . El mecanismo molecular que da cuenta de esta importante peculiaridad está íntimamente relacionado con el receptor NMDA, que es el responsable de la iniciación de la PLP en el giro dentado y área CA1 hipocampal. Más adelante se expone el modo en el que el receptor NMDA inicia la PLP, siguiendo un modelo hebbiano de coincidencia de actividad.
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1.2. PLP y ritmo theta hipocampal Como hemos visto, la forma más común de inducir experimentalmente PLP es mediante estimulación tetánica de aferentes a la región en la que la PLP se pretende establecer. Así, recordemos, Bliss y Lomo estimularon tetánicamente la vía perforada para producir PLP en el giro dentado. No obstante, esta estimulación de alta frecuencia es fruto de una manipulación experimental, y supone un patrón de actividad fisiológica muy particular, que no es probable que se produzca en condiciones naturales en el hipocampo. Este hecho lleva a plantearse la cuestión de si la PLP puede producirse bajo condiciones fisiológicas naturales en el organismo o es exclusivamente fruto de la manipulación experimental. Si postulamos que la PLP es un mecanismo fisiológico de aprendizaje y memoria, resulta evidente la necesidad de encontrar condiciones endógenas capaces de producir PLP. Uno de los mayores descubrimientos en los últimos años en relación a la PLP ha sido precisamente el encontrar que el ritmo theta (un patrón electroencefalográfico de frecuencia entre 5 y 8 Hz.), está estrechamente relacionado con la PLP. Desde hace tiempo se conoce la implicación del ritmo theta en la conducta exploratoria (Klemm, 1976; Vanderwolf, 1969), y más recientemente se ha documentado su implicación en el propio aprendizaje (Eichenbaum, Kuperstein, Fagan y Nagode, 1987; Otto, Eichenbaum, Wiener y Wible, 1991). Además, el ritmo theta es característico del sistema límbico y olfatorio. Más concretamente, es un patrón de actividad típico de las neuronas piramidales del hipocampo, situadas, entre otras áreas, en CA1 y CA3, áreas en las que hemos visto que es posible inducir PLP. Larson, Wong y Lynch (1986) comprobaron que estimulando la comisura de Schaffer (la principal fuente de aferencias a CA1, provenientes de CA3) con descargas cortas, y estando estas descargas separadas entre sí por el período del ritmo theta (intervalos de 170 a 200 ms.), se producía PLP en CA1. Esta estimulación imita el patrón de actividad del ritmo theta. Mediante registros crónicos se ha comprobado que la PLP inducida por este patrón de actividad es extremadamente duradera y estable, manteniéndose durante semanas (Staubli y Lynch, 1987). Resultados similares se han encontrado también en el giro dentado (Greenstein, Pavlides y Winson, 1988). Se ha comprobado, además, que el umbral para la inducción de PLP es considerablemente menor cuando ésta se establece con el patrón de estimulación theta que con estimulación tetánica continua (Diamond, Dunwiddie y Rose, 1988). Por último, se ha comprobado que antagonistas de receptores NMDA bloquean completamente la PLP producida mediante el patrón 374
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del ritmo theta (Larson y Lynch, 1988), lo que indica que la potenciación está producida por el mismo mecanismo que la PLP obtenida con estimulación tetánica (más abajo veremos que la dependencia de los receptores NMDA es una propiedad característica de la PLP, o al menos de la modalidad de PLP propia del giro dentado y el área CA1). El descubrimiento de que este patrón de estimulación es efectivo para producir PLP se ha relacionado con la hipótesis de que ritmos hipocampales endógenos intervienen en el procesamiento de información por parte del hipocampo. Incluso se ha propuesto un modelo por el que el patrón electroencefalográfico theta funcionaría en el hipocampo como uno de los dos componentes necesario en una sinapsis hebbiana (Diamond y Rose, 1994). Concretamente, durante los periodos de actividad theta, este patrón aseguraría una despolarización parcial de los receptores NMDA, sitúandolos en un nivel de despolarización cercano al umbral. Este sería el componente postsináptico necesario en la regla de Hebb. No obstante, el ritmo theta, por sí solo, no produciría alteración de la eficacia sináptica, sino que sólo prepararía a la sinapsis para la misma. El segundo componente necesario sería la activación aferente que llegaría al hipocampo con información proveniente del entorno. Por tanto, la información que llegase al hipocampo durante el período de actividad theta podría iniciar la actividad de mecanismos de almacenamiento de la información como la PLP. Dado que el ritmo theta es característico de la conducta exploratoria, las experiencias durante este período alcanzarían más fácilmente la memoria. En definitiva, y teniendo en cuenta la implicación del hipocampo en múltiples formas de aprendizaje y memoria, la correspondencia entre un patrón de actividad endógena típico del hipocampo y un patrón de actividad óptimo para producir PLP refuerza la hipótesis de que la PLP es una forma de plasticidad sináptica responsable del aprendizaje y la memoria.
2. Mecanismos bioquímicos responsables de la iniciación de PLP Uno de los mayores enigmas respecto a la relación entre plasticidad sináptica y aprendizaje es el conocimiento del mecanismo molecular por el cual se inicia un cambio en la eficacia de una sinapsis como consecuencia de la experiencia. Como vimos en el capítulo I, parece bastante más claro que la consolidación de esos cambios depende de un proceso de síntesis de proteínas. En la PLP se ha demostrado que los mecanismos moleculares responsables de su iniciación son diferentes de los que posibilitan su posterior mantenimiento y expresión. Gran parte xi
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del interés actual que ha desencadenado la PLP tiene que ver con el conocimiento del mecanismo molecular responsable de su iniciación. Este mecanismo es capaz de detectar la contigüidad temporal de dos estimulaciones mediante un dispositivo de funcionamiento hebbiano. Es, en definitiva, un mecanismo molecular asociativo, que sería responsable del aprendizaje. Los mecanismos moleculares responsables del mantenimiento y expresión de la PLP serían, complementariamente, responsables de la consolidación de la huella de memoria. En la actualidad, están mucho más claros los mecanismos responsables de la iniciación que los mecanismos específicos responsables de su mantenimiento. Fruto del mayor desconocimiento y controversia sobre los mecanismos de mantenimiento y expresión de la PLP es la existencia de mayor acúmulo de información sobre ellos. Nuestro interés fundamental está, no obstante, en los mecanismos responsables de la iniciación de la PLP.
2.1. PLP dependiente y PLP independiente de los receptores NMDA En la actualidad está bien establecido que para la iniciación de PLP se requiere el aumento del nivel de Ca2+ en la neurona postsináptica (p. ej., Lynch et al., 1983; Malenka, Kauer, Perkel y Nicoll, 1989), aunque todavía existe debate sobre el dispositivo por el que el Ca2+ invade la neurona postsináptica. La discusión sobre cuál es el mecanismo de entrada del Ca2+ en el interior celular es la discusión sobre el mecanismo responsable de la iniciación de PLP. Hay varias posibilidades por las que el Ca2+ puede llegar a la neurona postsináptica. Una de ellas es a través del canal de Ca2+ asociado al receptor NMDA (ver capítulo II). El incremento del nivel de Ca2+ podría también deberse a la acción de canales regulados por voltaje o a su liberación desde almacenes en el interior celular, como el retículo endoplasmático (Teyler y Grover, 1993). Así, puede haber una PLP dependiente de receptores NMDA y una PLP independiente de ellos. Grover y Teyler (1990) han mostrado que la PLP inducida con estimulación tetánica de relativa baja frecuencia (25-100 hz) es dependiente de los receptores NMDA, accediendo el Ca2+ mediante los canales asociados a estos receptores. Frecuencias tetánicas mayores (> 150 hz) producen, además de este tipo de PLP, PLP no dependiente de los receptores NMDA, en la que el Ca2+ accede, adicionalmente, por medio de canales regulados por voltaje. Tanto en un caso como en el otro, la PLP se inicia con la entrada de Ca2+ a la neurona postsináptica.
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La PLP dependiente de los receptores NMDA es característica de las áreas hipocampales CA1 y giro dentado19. No es casualidad que, siendo el hipocampo la estructura de mayor densidad en receptores NMDA del cerebro, dentro del mismo las áreas CA1 y giro dentado presenten una densidad de receptores NMDA notablemente mayor que el área CA3 (ver capítulo II). La prueba más clara de que la iniciación de, al menos, ciertas formas de PLP depende de los receptores NMDA es que el bloqueo de este receptor por antagonistas bloquea la iniciación de la PLP tras estimulación tetánica, sin afectar a la transmisión excitatoria normal, que depende, al menos en el hipocampo, de los receptores AMPA. Este fenómeno fue demostrado por primera vez por Collingridge, Kehl y McLennan (1983). Posteriormente, Collingridge et al. (1990) mostraron que es la iniciación de PLP la que queda bloqueada por antagonistas NMDA, siendo el posterior mantenimiento y expresión bloqueado por antagonistas de los receptores del glutamato AMPA. Queremos remarcar esta idea, de la que emanan importantes predicciones sobre el efecto de antagonistas NMDA y AMPA en el aprendizaje y la memoria, que veremos en el capítulo IV: la iniciación de PLP depende de los receptores NMDA, y el posterior mantenimiento y expresión de la misma de los receptores AMPA. Otra prueba a favor de esta idea viene a partir de un trabajo en el que se estudia el papel de los receptores AMPA (Tocco et al., 1992). Estos investigadores mostraron un aumento de los lugares de unión de los receptores AMPA tras la inducción de PLP en el giro dentado, confirmando así el papel de estos receptores en la PLP. Sin embargo, la administración previa a la estimulación tetánica del antagonista NMDA ketamina bloqueó tanto la posterior PLP como el aumento en los lugares de unión AMPA, sugiriendo este resultado que los receptores NMDA tienen un papel necesario en la PLP, previo al de los receptores AMPA. El uso de antagonistas NMDA para bloquear la iniciación de PLP ha servido para identificar, también en el hipocampo, un tipo de PLP no dependiente de estos receptores. Mediante bloqueo farmacológico de los receptores NMDA y tras estimulación tetánica de alta frecuencia, Grover y Teyler (1990) han conseguido producir PLP. Esta PLP, independiente de los receptores NMDA, ha sido descubierta en el área CA3 hipocampal y, como ya hemos apuntado más arriba, sus propiedades son diferentes de la PLP obtenida en el giro dentado y en el área CA1. Estas diferencias comienzan por las condiciones que producen PLP y una de las más 19
Sin duda, puede caracterizarse a la PLP en el giro dentado y el área CA1 como dependiente de los receptores NMDA. No obstante, algunos experimentos sugieren que es posible establecer PLP en el giro dentado sin la activación de los receptores NMDA. La entrada de Ca2+ se produciría, bien por canales regulados por voltaje (Malenka, Kauer, Zucker y Nicoll, 1988), bien por liberación del mismo desde almacenes en el terminal presináptico (Bortolotto et al., 1995). xi
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relevantes de estas diferencias para nosotros es que para su establecimiento no se requiere la convergencia de actividad pre- y postsináptica, por lo que su iniciación nada tiene que ver con un mecanismo hebbiano (una exposición de las diferencias entre la PLP dependiente de los receptores NMDA y PLP independiente de estos receptores puede encontrarse en Teyler y Grover, 1993). Además, no parece requerir la entrada de Ca2+ desde el exterior a la neurona postsináptica, por lo que el Ca2+ podría liberarse desde almacenes en el interior de la neurona (Zalutsky y Nicoll, 1990). Esta forma de PLP es, al igual que la dependiente de los receptores NMDA, específica para las aferencias que la producen, aunque parece no mostrar ni cooperatividad ni asociatividad (Teyler y Grover, 1993). No obstante, algunos investigadores apuntan que estas características también se producirían en la PLP en el área CA3 (Derrick y Martínez, 1994). Quizás la explicación esté en que existan varios tipos de PLP no dependiente de receptores NMDA. Varios estudios indican que el mecanismo de iniciación de la PLP en el área CA3 es dependiente de los receptores opiáceos y (Branham, 1992; Bramham, Milgram y Srebro, 1991; Derrick, Rodríguez, Lieberman y Martínez, 1992), y parece que la PLP dependiente de uno y otro tipo de receptores opiáceos posee propiedades diferentes (Martínez y Derrick, 1996). Respecto al mecanismo de mantenimiento de la PLP dependiente de los receptores opiáceos se sabe muy poco, desconociéndose si comparte los mismos mecanismos moleculares con la PLP dependiente de los receptores NMDA. Es conveniente hacer una observación respecto a la PLP independiente de los receptores NMDA en CA3. Según hemos visto, en función de la frecuencia de la estimulación tetánica que se requiere para inducirla, la dependiente de receptores NMDA puede producirse sin la independiente; pero, en condiciones naturales, la estimulación que se requiere para abrir los canales de Ca2+ regulados por voltaje implica también la entrada de Ca2+ a través del receptor NMDA. Se estaría produciendo, por tanto, una cooperación de PLP dependiente e independiente de receptores NMDA para producir un resultado final (Teyler y Grover, 1993). En definitiva, al menos en el hipocampo y en ausencia de bloqueo farmacológico del receptor NMDA no parecen poder desligarse los receptores NMDA de la PLP. No obstante, puede establecerse una clara diferenciación entre la potenciación que se observa en las áreas CA1 y en el giro dentado por un lado, y la que se observa en el área CA3. Sólo la primera es inequívocamente dependiente de los receptores NMDA. La potenciación en CA3, además, presenta otras peculiaridades que han llevado a que algunos autores no le den el nombre de PLP, a pesar de ser una potenciación de larga duración (Staubli, 1995).
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Recientemente se ha apuntado la posibilidad de la existencia de otro tipo de PLP, dependiente de los receptores metabotrópicos del glutamato. Se ha encontrado que agonistas de receptores metabotrópicos del glutamato pueden producir PLP y antagonistas bloquearla (Bashir et al., 1993; Bortolotto y Collingridge, 1993; Richter, Errington, Maegawa y Bliss, 1994). No obstante, este resultado necesita aún mayor investigación. De hecho, también existen datos en contra procedentes de otro laboratorio (Manzoni, Weisskopf y Nicoll, 1994). Aunque fuera del hipocampo la PLP ha sido poco estudiada, recientemente se ha comprobado que en la corteza somatosensorial la PLP es también dependiente de los receptores NMDA (Kawakami y Ashida, 1993). Estos autores estimularon tetánicamente la principal fuente de aferencias de la corteza somatosensorial primaria (SI) y secundaria (SII), los axones del núcleo talámico lateral posterior ventral. Encontraron una robusta potenciación en SII, que duró más de 90 minutos. Como resultado que más nos interesa, comprobaron que la administración de dos antagonistas de receptores NMDA, AP5 y AP7, antes de la estimulación tetánica, bloqueó la PLP en SII. Así, la PLP en la corteza somatosensorial es, como la PLP hipocampal (al menos en CA1 y giro dentado) dependiente de los receptores NMDA. De nuevo, como hemos dicho respecto a la PLP en CA1 y giro dentado, esto no resulta sorprendente, a la luz de los datos que muestran la alta concentración de receptores NMDA en la corteza cerebral (ver capítulo II). Por todo lo anterior, parece claro que la PLP está estrechamente relacionada con los receptores NMDA, si bien hay también formas de plasticidad duraderas que no dependen de estos receptores. El descubrimiento de diferentes formas de PLP sugiere la posibilidad de que exista un conjunto de fenómenos de plasticidad de gran duración que podrían dispararse por condiciones diferentes, tener propiedades diferentes o participar en circuitos neuronales diferentes y, quizás, en formas de memoria diferentes. No obstante, diversos investigadores alertan sobre el riesgo de confundir la PLP con otros procesos de plasticidad de cierta duración que, con el auge de la PLP, empiezan a descubrirse (Baudry y Lynch, 1993; McNaughton et al., 1993). Las propiedades de especificidad, cooperatividad y asociatividad son características de la PLP dependiente de los receptores NMDA, estudiada en el giro dentado y en CA1 (Bliss y Collingridge, 1993). Hasta tal punto ha estado tan ligada la investigación sobre PLP a la investigación sobre receptores NMDA que resulta prácticamente imposible encontrar un solo texto que tratando sobre la PLP no haga referencia a los receptores NMDA o viceversa. Así, Bliss y Collingridge (1993), en su revisión sobre PLP, dicen: “En este artículo, entendemos por PLP un tipo de potenciación sináptica, que es dependiente del receptor NMDA y que dura más de xi
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una hora” (p. 31); o en palabras de Dudai: “Los receptores NMDA se han convertido recientemente casi en un sinónimo de PLP en la literatura científica” (1989, p. 97).
2.2. El receptor NMDA como dispositivo que opera según la regla de Hebb En una sinapsis excitatoria convencional, la unión del transmisor al receptor permite la apertura de un canal a través del cual fluyen iones cargados positivamante al interior de la célula postináptica, despolarizándola. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, con el receptor del glutamato AMPA. La unión del glutamato al receptor abre canales de sodio (Na+), que permite el paso de estos al interior celular, produciendo la consecuente despolarización del interior celular un potencial postináptico excitatorio. Los canales que funcionan de esta manera se dice que están regulados por ligando, dado que su apertura depende de su unión al neurotransmisor. Sin embargo, el receptor NMDA es peculiar. Además de estar regulado por ligando, está regulado por voltaje. Recordemos del capítulo II que el receptor NMDA es un receptor complejo, que tiene entre otros lugares de unión, uno para el glutamato, que regula la apertura de un canal para el Ca2+. Si el receptor NMDA tuviera un funcionamiento convencional, cuando el glutamato se ligara al receptor, el canal quedaría abierto, y por el mismo fluiría el Ca2+ hacia el interior celular, lo que debería llevar a un potencial postsináptico excitatorio. Sin embargo, esto no es así. En condiciones de reposo en la neurona postsináptica (potencial aproximado de -70 mV), la unión del glutamato al receptor no produce la entrada de Ca2+ a través del canal. Para que el flujo de Ca2+ se produzca debe existir, adicionalmente, una despolarización en la membrana postináptica, de forma que el flujo máximo de Ca2+ a través de le membrana se produce aproximadamente a -30 mV (Flatman, Schwindt, Crill y Stafstrom, 1983; Nowak et al., 1984). La dependencia de voltaje del receptor NMDA para permitir el paso del Ca2+ se debe a que el canal está bloqueado por una molécula de magnesio (Mg2+), que tiene su lugar de unión en el interior del canal y es sensible al potencial de membrana, de forma que la afinidad del Mg2+ por el canal aumenta con la hiperpolarización y disminuye con la despolarización. A -30 mV el Mg2+ es expulsado del canal, dejando a éste libre para que la unión del glutamato al receptor NMDA produzca el flujo de iones Ca2+ al interior celular. En estos términos se pueden explicar las propiedades de cooperatividad y la asociatividad. La cooperatividad y asociatividad se producen por la necesidad de 374
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despolarización de la membrana postsináptica, para liberar el canal del receptor del 2+ bloqueo del Mg . Una estimulación débil no despolarizará lo suficiente la neurona postsináptica como para desbloquear el canal. Una fuerte sí. La cooperatividad hace referencia precisamente a la necesidad de un conjunto mínimo de aferencias, de forma que se obtenga un input fuerte. En la asociatividad, asimismo, es necesaria la presentación conjunta de un input débil junto con un input fuerte para que se pueda producir potenciación al input débil. Resumiendo, la unión del glutamato al receptor en condiciones en que la 2+ neurona postsináptica está despolarizada produce el flujo de Ca al interior de la neurona postsináptica. Así, para que el receptor NMDA se vuelva activo se deben dar simultáneamente dos condiciones: 1) unión del glutamato al receptor; 2) despolarización de la neurona postsináptica. La despolarización postsináptica es la excitación de la neurona postsináptica. La unión del glutamato al receptor, resultado de su liberación por parte de la neurona presináptica, es el resultado del disparo de esta neurona. Así, el receptor NMDA sirve como un dispositivo que detecta la convergencia de actividad pre- y postsináptica, para permitir posteriormente, por mecanismos que a continuación se exponen, el incremento de la eficacia de esa sinapsis. Como hemos visto más arriba, la convergencia de actividad pre- y postsináptica es la explicación de las características de cooperatividad y asociatividad, que hacen de la PLP una forma de plasticidad sináptica ideal para dar cuenta del aprendizaje asociativo. En definitiva, el mecanismo de acción postulado por Hebb parece haber encontrado un sustrato físico que lo posibilita en el receptor NMDA, responsable de la iniciación de un cambio duradero en la eficacia de una sinapsis, la PLP.
3. Mecanismos bioquímicos responsables del mantenimiento y la expresión de PLP Como ya hemos dicho, en la actualidad está fuera de duda que el Ca2+ en la neurona postsináptica juega un papel crítico en el desarrollo de la PLP. Así lo 2+ muestra, por ejemplo, el hecho de que el bloqueante de Ca intracelular EGTA bloquee la PLP (Lynch et al., 1983). Ya hemos mostrado que el camino por el que el 2+ Ca entra en la neurona postsináptica es a través de canales en los receptores NMDA. Este era el mecanismo de iniciación de la PLP. En este apartado nos interesa conocer qué cambios producidos a nivel postsináptico y/o presináptico son responsables del ulterior mantenimiento y expresión de la PLP. La hipótesis más evidente, documentada y aceptada es que esos cambios son consecuencia del xi
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incremento de Ca2+ intracelular. Esto supondría un mecanismo de acción a nivel postsináptico. Se postulan, adicionalmente, otros mecanismos de acción a nivel presináptico. Un punto crítico es el de la duración del proceso que estabiliza la PLP. La naturaleza de los mecanismos que se postula que intervienen en el mantenimiento de la PLP debe tener en cuenta la ventana temporal en que ésta se desarrolla y debe ser sensible a manipulaciones dentro de esa ventana temporal. En general, se acepta que se requieren de 1 a 5 minutos para producir una PLP estable (Arai, Larson y Lynch, 1990), aunque se ha sugerido la existencia de diferentes fases relativas al mantenimiento de la PLP. En su revisión, Bliss y Collingridge (1993) dividen la PLP en tres procesos, de distinta duración y bien diferenciados según sus mecanismos de acción. Así, distinguen una PLP1, cuya duración es de 3 a 6 horas y que es bloqueada por inhibidores de proteínas kinasas, pero no por inhibidores de síntesis de proteínas; una PLP2, de duración algo mayor y que es bloqueada por inhibidores de síntesis de proteínas (transcripción de proteínas a partir del ARNm ya existente), aunque se muestra independiente de la expresión genética (transcripción de ARNm a partir del ADN); y una PLP3, con una duración de varios días y que se muestra dependiente de la expresión genética. La PLP3 sólo se podría inducir en el animal sin anestesia. Esta división de la PLP en diferentes procesos de duraciones y mecanismos diferentes es sugerente, aunque ha sido criticada. Hanse y Gustafsson (1994) revisan los datos a favor de esta división y se posicionan en contra de la misma. Proponen que la PLP se desarrolla en pocos segundos, que en un minuto ya está completamente desarrollada y que la estabilización de la PLP depende simplemente del grado de activación del receptor NMDA y la consecuente entrada de Ca2+ al interior celular. Argumentan, además, que las manipulaciones que se han visto efectivas para interferir con la PLP, como los inhibidores de proteínas kinasas o de síntesis de proteínas, actúan en realidad sobre el mecanismo de iniciación, en lugar de sobre un mecanismo diferenciado de mantenimiento. Este debate sobre la existencia siquiera de mecanismos de mantenimiento de la PLP diferentes a los de iniciación ilustra la falta de claridad de los datos concernientes al mantenimiento de la PLP. En un extremo, Bliss y Collingridge proponen tres fases en el mantenimiento de la misma, cada una implicando mecanismos diferentes. En el otro, Hanse y Gustafsson niegan la existencia de un mecanismo de mantenimiento diferente al de iniciación. Nosotros, siguiendo la línea más clásica en la investigación sobre PLP, hemos separado los mecanismos de iniciación, que ya hemos visto, de los de su posterior 374
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mantenimiento y expresión, aunque sin establecer diferencias entre las diferentes fases sugeridas por Bliss y Collingridge. A continuación, vamos a hacer una exposición somera de los principales datos en relación a estos mecanismos (para un revisión detallada véanse Baudry y Davis, 1991, 1994; Baudry y Lynch, 1993; Bliss y Collingridge, 1993 o Voronin et al., 1995).
3.1. Cambios a nivel postsináptico 2+
El hecho más destacado a nivel postsináptico es el incremento de Ca intracelular. Se han postulado varios mecanismos de transducción que mediarían 2+ entre el incremento de Ca y las modificaciones en la célula postsináptica. Sobre 2+ todo, se ha señalado el papel que las enzimas dependientes del Ca pueden tener en la formación de la PLP. Asimismo, también se ha postulado que la síntesis de proteínas interviene en el desarrollo y la expresión de PLP. Como efectos de cada uno de estos mecanismos sobre la neurona postsináptica se han propuesto el de producir modificaciones estructurales en la neurona y el de una alteración de las propiedades de sus receptores. De hecho, la hipótesis más simple barajada es que 2+ enzimas dependientes del Ca produzcan cambios en los receptores AMPA -encargados de la transmisión normal del impuso nervioso en relación a los AEEs-, afectando así la transmisión normal regulada por estos receptores, de forma que como consecuencia de la unión a ellos del neurotransmisor se produzca una mayor despolarización postsináptica. Por tanto, los receptores NMDA estarían mediando la iniciación de la PLP, como acabamos de ver, y serían los receptores AMPA los responsables del posterior mantenimiento y expresión de la misma. Vamos a ver algunos de los mecanismos propuestos por los que podría alterarse la eficacia de estos receptores.
3.1.1. La naturaleza del mecanismo 3.1.1.1. Papel de enzimas dependientes del Ca2+ Se ha estudiado, sobre todo, el papel de las proteínas kinasas, aunque también se han implicado otras, como las fosfolipasas y las proteasas. La primera kinasa que se implicó en la PLP fue la proteína kinasa C (PKC), 2+ dependiente de Ca y de fosfolípidos. Diversos estudios han mostrado que inhibidores del enzima bloquean la PLP sin afectar otras formas de plasticidad xi
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menos duraderas (Malenka et al., 1989; Malinow, Madison y Tsien, 1988; Malinow, Schulman y Tsien, 1989). En estos estudios se muestra que los inhibidores de PKC pueden bloquear la PLP cuando se aplican después de la estimulación tetánica, lo que sugiere que la actividad de la PKC se produce posteriormente a la iniciación de la PLP. Complementariamente, compuestos que activan la PKC, como el ester forbol, producen PLP (Malenka, Madison y Nicoll, 1986). No obstante, hay datos que muestran que los efectos producidos por el ester forbol desaparecen con éste (Muller, Turnbull, Baudry y Lynch, 1988) y que sus propiedades críticas son cualitativamente diferentes a las propiedades de la PLP (Muller, Buchs, Dunant y Lynch, 1990). Así, tanto la ventana temporal en la que actúa la PKC, como el modo en que se mantiene su activación tras la estimulación inicial son, en la actualidad, asuntos de debate. Incluso se discute si la actividad de la PKC se produce necesariamente a nivel postsináptico, apuntándose la posibilidad de que también pueda desempeñar un papel en el terminal presináptico (Malinow et al., 1989). Huang, Colley y Routtenberg (1992) han sugerido que una PKC podría desarrollar su acción a nivel postsináptico durante algunos minutos, y otra PKC desarrollaría su acción presinápticamente durante más tiempo. Con todo, no está clara la implicación de la PKC en el mantenimiento y expresión de la PLP, aunque parece un factor necesario que podría incidir en el paso de formas de plasticidad menos duraderas a PLP (Bliss y Collingridge, 1993). Otros estudios implican a otra proteína kinasa, la kinasa tipo II dependiente de Ca y de calmodulina (CaMKII). Esta enzima posee interesantes características que le permiten una regulación de sus propiedades por medio de autofosforilación, lo que hace de ella un dispositivo bioquímico ideal para producir cambios a largo plazo (Kennedy, 1989). Inhibidores de esta kinasa han mostrado su capacidad para inhibir la PLP (Ito, Hidaka y Sugiyama, 1991; Malenka et al., 1989; Malinow et al., 1988). Otras pruebas que implican a la CaMKII en la PLP están basadas en ratones mutantes en los que se ha aislado y eliminado el gen responsable de la subunidad de CaMKII. En estos ratones la capacidad para establecer PLP está muy deteriorada (Silva, Stevens, Tonegawa y Wang, 1992a). Más recientemente, se ha comprobado que un incremento inducido experimentalmente de CaMKII potencia la transmisión sináptica, al tiempo que bloquea la posibilidad de obtener más potenciación siguiendo un protocolo de inducción de PLP, sugiriendo lo último una saturación de la PLP por la actividad de la enzima (Pettit, Perlman y Malinow, 1994). No obstante, el modo en que la CaMKII actúa sobre la actividad sináptica es aún desconocido, siendo probable que forme parte de un patrón más complejo de coordinación enzimática (Baudry y Lynch, 1993). 2+
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Otras kinasas que también se han implicado en la PLP son la kinasa dependiente de adenosín monofosfato cíclico (PKA) y la tirosina kinasa (PTK). La PTK ha sido implicada en base a estudios en los que se inhibe su actividad (O’Dell, Kandel y Grant, 1991). En el otro lado, los primeros datos que implicaron a la PKA en la PLP fueron datos indirectos, que mostraban que el nivel de adenosín monofosfato cíclico aumenta en relación a la actividad del receptor NMDA (Chetkovich, Gray, Johnston y Sweatt, 1991). Posteriormente se ha mostrado que inhibidores de la PKA bloquean la última fase de la PLP y que, inversamente, análogos de la PKA producen una potenciación sináptica que bloquea la PLP inducida posteriormente (Frey, Huang y Kandel, 1993). Además, en relación con la PKA son muy sugerentes algunos resultados recientes que muestran una relación directa entre la PKA en el hipocampo y el aprendizaje, encontrándose que inhibidores de la PKA dificultan el aprendizaje de evitación (Bevilaqua et al., 1997), y que, inversamente, el entrenamiento en evitación produce un aumento en la actividad de la PKA en el hipocampo (Bernabeu et al., 1997). Las proteasas han sido también implicadas en la PLP. Un tipo particular de proteasa, la calpaína, fue una de las primeras enzimas sugeridas como responsable del mantenimiento de la PLP (Lynch y Baudry, 1984). El interés en la calpaína surge de que es uno de los principales sustratos de la espectrina, que forma parte del citoesqueleto, lo que sugiere posibles modificaciones estructurales en la neurona como base del aprendizaje. Además, la calpaína se ha encontrado principalmente en las neuronas postsinápticas (Perlmutter et al., 1988). Varios estudios muestran que inhibidores de la calpaína bloquean la PLP in vivo e in vitro (Denny et al., 1990; Staubli, Baudry y Lynch, 1984). Por último, la PKC es un sustrato sobre el que actúa la calpaína, produciendo un componente activo, la proteína kinasa M. No obstante, hay datos tanto a favor como en contra de la implicación de este último mecanismo en la PLP (Muller et al., 1990). Por último, las fosfolipasas son enzimas que están ganando protagonismo en las investigaciones sobre los mecanismos bioquímicos responsables del 2+ mantenimiento de la PLP. La fosfolipasa A2 (PLA2) se activa con la entrada de Ca en la neurona postsináptica. Se ha encontrado que inhibidores de la PLA2 bloquean la PLP in vivo e in vitro (Massicote, Oliver, Lynch y Baudry, 1990; Williams y Bliss, 1988), aunque quizás los resultados más sugerentes son los que relacionan la actividad de la PLA2 con los receptores AMPA. En particular, la administración de PLA2 en membranas sinápticas produce un incremento de la afinidad de los agonistas por este receptor (Massicotte y Baudry, 1990) que, sin embargo, no se produce en tejidos en los que no es posible inducir PLP (Baudry, Massicotte y xi
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Hauge, 1991; Massicotte, Vanderklish, Lynch y Baudry, 1991). Además, la PLA2 parece ser responsable de la producción y liberación de factor activador de plateletas (PAF), y se sabe que el PAF produce un incremento pronunciado en el nivel de Ca2+ (Marcheselli et al., 1990). El PAF actuaría, así, aumentando el nivel de Ca2+, que activaría de nuevo la PLA2, activando a su vez el PAF. Baudry y Lynch (1993) sugieren que este es un posible mecanismo de retroalimentación que explicaría un incremento del Ca2+ intracelular durante un largo periodo. Asimismo, consecuencia de la acción de la PLA2 sobre los fosfolípidos es la liberación de ácido araquidónico (Dumuis et al., 1988), un candidato a ser mensajero retrógrado en la PLP, como veremos más adelante. De hecho, se ha propuesto que la propia PAF haría funciones de mensajero retrógrado. Además de bloquear la PLP, inhibidores de la PAF bloquean el aprendizaje, y análogos lo facilitan (Izquierdo et al., 1995; Jerusalinsky et al., 1994). Otras enzimas que, en menor medida, se han relacionado con la PLP son las fosfotasas (Halpain y Greengard, 1990) y las transglutaminasas dependientes de Ca2+ (Friedrich, Fesus, Tarcsa y Czeh, 1991).
3.1.1.2. Papel de la síntesis de proteínas Vimos en el capítulo I que la síntesis de proteínas, si bien es una idea ya clásica, es uno de los mecanismos que con más claridad forman parte de los procesos bioquímicos responsables de la memoria, concretamente de la MLP. Además, la idea ha recobrado protagonismo recientemente a partir de estudios realizados sobre la memoria de invertebrados, como el expuesto sobre Aplysia, en los que se han podido estudiar con exactitud los cambios estructurales en sinapsis concretas originados por la síntesis de proteínas (Bailey y Kandel, 1995). La síntesis de proteínas también se ha relacionado con el mantenimiento de la PLP. En general, el grado en que inhibidores de síntesis de proteínas deterioran la PLP parece depender en exceso del tipo de inhibidor empleado (Bliss y Collingridge, 1993). Así, aunque en algún estudio inhibidores de síntesis de proteínas han mostrado su capacidad para interferir con el desarrollo de PLP (Deadwyler, Dunwiddie y Lynch, 1987), la especificidad del inhibidor ha sido cuestionada posteriormente incluso por autores del estudio (Baudry y Lynch, 1993). Según Bliss y Collingridge (1993), los resultados más claros son los obtenidos con anisomicina, fármaco que bloquea la formación de proteínas a partir de ARNm. Con su presencia al tiempo que la estimulación tetánica, la duración de la PLP queda reducida a unas tres horas (Krug, Lossner y Ott, 1984; Otani et al., 1989). Además 374
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de mediante el bloqueo de la transcripción del ARNm en proteínas directamente, la síntesis de proteínas puede bloquearse impidiendo la transcripción de ADN en ARNm. En realidad, así se estaría bloqueando directamente la expresión genética. La actinomicina hace esto, habiéndose comprobado que en el periodo en que la PLP se muestra sensible a la anisomicina, la actinomicina es inocua (Otani et al., 1989), lo que parece indicar que, al menos durante las primeras horas, es suficiente para la expresión de PLP con la síntesis de nuevas proteínas a partir de ARNm previamente existente, no siendo crítico la formación de ARNm. No obstante, el experimento citado con actinomicina sólo indica que durante las tres primeras horas la PLP no depende de la transcripción genética, no excluyéndose la posibilidad de que ésta sea necesaria para duraciones mayores de la PLP. De hecho, hay datos que sugieren que en genes como el zif/268 y el c-fos se produciría un aumento de su expresión con la estimulación tetánica de alta frecuencia, efecto que, sin embargo, no se produciría en presencia de antagonistas del receptor NMDA (Cole, Saffen, Baraban y Worley, 1989; Wisden et al., 1990). Más recientemente, utilizando diversos bloqueadores de la transcripción genética, se ha encontrado un bloqueo de la PLP (fase 3 o fase L) cuando el bloqueador es administrado inmediatamente después de la estimulación tetánica. Así, el desarrollo de una fase tardía de PLP parece requerir la transcripción genética durante un periodo crítico (Nguyen, Abel y Kandel, 1994). En resumen, se podrían establecer diferentes fases en la consolidación de la PLP, como sugieren Bliss y Collingridge (1993). Dada la rapidez con la que se estabiliza la PLP, la síntesis de proteínas sólo sería necesaria en un segundo momento y un mecanismo de transcripción genética intervendría aún posteriormente. Como ya habíamos comentado en relación a las fases propuestas por Bliss y Collingridge, la primera fase dependería de las proteínas kinasas, cuya implicación en la PLP vimos en el apartado anterior. No obstante, conviene recordar que no existe consenso sobre estas distintas fases en el mantenimiento de la PLP.
3.1.2. Modificaciones resultantes a nivel postsináptico Como consecuencia de los mecanismos que acabamos de repasar y, con seguridad, de algunos otros aún por descubrir, se ha apuntado la existencia tanto de modificaciones estructurales en la neurona postsináptica, como de modificaciones en sus receptores, fundamentalmente en los receptores AMPA. Sin duda, modificaciones de esta naturaleza conllevan necesariamente la síntesis de proteínas. Las modificaciones estructurales podrían afectar a la configuración de sinapsis existentes o a la formación de nuevas sinapsis. Estos cambios estructurales serían el xi
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fruto de cambios en el citoesqueleto celular que, como hemos visto, podría ser alterado, directa o indirectamente, por algunas de las enzimas dependientes del Ca2+. Una revisión de los datos sobre modificaciones estructurales en las sinapsis durante la PLP puede encontrarse en Wallace, Hawrylak y Greenough (1991). La lectura fundamental de estos datos es que la PLP produce modificaciones estructurales postsinápticas, y no presinápticas. Estas modificaciones, en el número y forma de las espinas dendríticas, se han encontrado tanto en CA1 (Chang y Greenough, 1984) como en el giro dentado (Desmond y Levy, 1990). Recientemente, se ha identificado que, en lo que respecta al área CA1, los cambios en las espinas dendríticas producidos como consecuencia de la PLP son similares a los producidos durante el desarrollo: el crecimiento de colonias de espinas pequeñas y un desplazamiento en el ángulo de las espinas, planteando la cuestión de la existencia de mecanismos de plasticidad comunes para el aprendizaje y el desarrollo (Hosokawa, Rusakov, Bliss y Fine, 1995). Una importante cuestión aún sin resolver es si los cambios estructurales proceden de la modificación de sinapsis existentes o de la formación de sinapsis nuevas20. Aunque no hay datos que avalen ninguna de las dos propuestas, el hecho de que el mantenimiento de la PLP dependa de los receptores AMPA y no de los receptores NMDA hace más sugerente la posibilidad de que se formen nuevos contactos sinápticos, que serían deficitarios en receptores NMDA. Por el contrario, modificaciones estructurales en sinapsis ya existentes deberían tener efectos similares para ambos tipos de receptores. La otra hipótesis barajada es la existencia de modificaciones en los receptores. Esta hipótesis ha recibido apoyo directo recientemente con experimentos en los que se han usado agonistas marcados radiactivamente. Estos experimentos muestran un aumento de uniones de los agonistas a los receptores tras la producción de PLP, encontrándose una correlación significativa entre el aumento de uniones y la magnitud de la PLP (Maren et al., 1993). Lynch y Baudry (1984) ya apuntaron hace años que el incremento en el flujo iónico postsináptico que se produce tras la PLP tiene su explicación más fácil en la existencia de modificaciones selectivas en los receptores AMPA. El esquema más simple por el que esto podría ocurrir sería que alguna kinasa fosforilara los canales iónicos asociados a estos receptores. Apoyando esta idea, se ha encontrado que un inhibidor de kinasas bloquea el proceso de sensibilización que tiene lugar en los 20
En realidad, es la cuestión planteada por Ramón y Cajal hace ya casi un siglo (Ramón y Cajal, 1899), aplicada a la PLP. Como vimos en el capítulo I, Ramón y Cajal defendía que el aprendizaje podía deberse a la modificación de la eficacia de sinapsis ya existentes, siguiendo en esto a Tanzi. Adicionalmente, Cajal postuló que el aprendizaje podía ser también el resultado de la formación de nuevas conexiones entre neuronas. 374
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receptores AMPA como consecuencia de la PLP (Reymann et al., 1990). Más especificamente, se ha encontrado que la subunidad catalítica de la kinasa PKA aumenta de forma directa la función del receptor AMPA (Wang, Salter y McDonald, 1991). Por otro lado, a partir del conocimiento de que los receptores AMPA pueden existir en dos variantes, flip y flop, con diferentes propiedades de conducción, se ha sugerido que la PLP podría ser una consecuencia de la frecuencia relativa de ambas variantes en la membrana postsináptica (Sommer et al., 1990). En esta misma línea, Morris (1994) ha apuntado que se podría producir un paso de un estado no funcional del receptor AMPA a un estado funcional. Por último, aunque más raramente, también se ha indicado que los receptores NMDA podrían estar implicados, además de en la iniciación, en el mantenimiento de la PLP (Bliss y Collingridge, 1993). Esta idea es sugerida por el hecho de que la kinasa PKC modifica la función del receptor NMDA. El mecanismo concreto podría 2+ ser la fosforilación de los canales de Ca del receptor, de forma que quedara 2+ alterado el grado en que el Mg bloquea el canal (Chen y Huang, 1992). Así, la PLP podría conllevar cambios de larga duración en los receptores AMPA, que serían los responsables de su posterior expresión ante estimulaciones simples, y cambios de larga duración en los receptores NMDA, que modificarían la sensibilidad de estos receptores ante nuevas estimulaciones de alta frecuencia (Rison y Stanton, 1995). Hasta aquí hemos repasado la naturaleza de los mecanismos de acción y los consecuentes cambios producidos por ellos en la neurona postsináptica. Creemos que merecen ser destacadas dos ideas al respecto. En primer lugar, ni los cambios a nivel postsináptico ni, menos aún, los mecanismos que los precipitan han sido en la actualidad claramente delimitados. Como hemos visto, abundan datos apoyando diferentes hipótesis. Quizás sea el momento de realizar una comprobación sistemática de cada una de ellas, más que de seguir acumulando datos. En segundo lugar, es particularmente necesario tratar de descifrar el modo específico en que los diferentes mecanismos de acción, presumiblemente disparados por la entrada de 2+ Ca al interior celular, actúan para producir los cambios perdurables, sean estructurales, sean sobre los receptores, en el interior de la neurona postsináptica. Creemos que sólo la especificación del modo de acción de cada uno de los supuestos mecanismos permitirá una prueba sistemática sobre su implicación en la PLP. Lo contrario supone, en realidad, una aproximación de caja negra, en la que se relaciona la manipulación de una variable (una kinasa, por ejemplo) con otra (la PLP), sin comprender el mecanismo por el que ambas se relacionan. Aunque éste es el terreno de la biología molecular, el tipo de problema al que se enfrenta tiene xi
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mucho en común con problemas frecuentes en psicología. Creemos que, en ambos casos, la delimitación del mecanismo por el que se relacionan dos variables, y no sólo el conocimiento de la relación funcional entre ambas, es determinante para la solución del problema.
3.2. Cambios a nivel presináptico Además de los cambios a nivel postsináptico, ampliamente aceptados por los investigadores sobre la PLP, otra posibilidad es que el mantenimiento y expresión de la PLP sea el resultado, al menos en parte, de modificaciones a nivel presináptico. Concretamente, se ha propuesto que con la PLP se produciría un incremento en la liberación de neurotransmisor. Esta idea, aunque en principio simple y sugerente, es conflictiva, pues implica la existencia de alguna señal desde la neurona postsináptica hasta la neurona presináptica dado que, al menos el mecanismo de iniciación de la PLP es puramente postsináptico. En definitiva, se necesitaría un mensajero retrógrado en el sistema nervioso, y hasta la fecha se acepta ampliamente que la neurotransmisión se produce en un solo sentido: de la neurona presináptica a la postsináptica. No obstante, en los últimos años empiezan a aflorar datos que apuntan a la existencia de mensajeros retrógrados21.
3.2.1. Aumento de la liberación de neurotransmisor El primer trabajo en el que se muestra la relación entre la PLP y un aumento en la liberación de sustancia transmisora es el de Skrede y Malthe-Sorensen (1981). En ese trabajo, los investigadores muestran una significativa correlación positiva entre la PLP y la liberación de neurotransmisor. Asimismo, Bliss y su equipo han mostrado en varias ocasiones que la PLP está acompañada de un incremento en la liberación de glutamato de la neurona presináptica (p.ej., Bliss, Douglas, Errington y Lynch, 1986; Dolphin, Errington y Bliss, 1982). Dado que la liberación de neurotransmisor del terminal presináptico está precipitada por la entrada de Ca2+ al mismo, y que es un incremento de la entrada de Ca2+ en la neurona postsináptica lo que origina los cambios a nivel postsináptico, se ha planteado que el Ca2+ pueda jugar también un papel en el incremento de la liberación de neurotransmisor. Así, se 21
La existencia de mensajeros retrógrados tiene una extraordinaria importancia en relación a la plausibilidad biológica de los modelos conexionistas que utilizan la regla de propagación hacia atrás, como vimos en el capítulo I. Es ésta la regla de aprendizaje más comúnmente utilizada y, sin embargo, no se conocen en el sistema nervioso mecanismos de propagación de la actividad hacia atrás. Así, la existencia de mensajeros retrógrados abre la puerta a la posibilidad de un mecanismo con esa función en el cerebro. 374
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ha encontrado que 45 minutos después de la iniciación de PLP los niveles de Ca en el giro dentado aumentan, lo que parece explicar el aumento en la liberación de neurotransmisor en sinaptosomas22 previamente sometidos a entrenamiento para producir PLP (Lynch y Voss, 1991). Alternativamente, se ha propuesto que el incremento en la liberación de neurotransmisor puede ser consecuencia de un 2+ incremento en la sensibilidad al Ca , más que un aumento en el nivel de éste (Lynch y Bliss, 1986). Otros procesos que también han sido propuestos como posible explicación del incremento en la liberación del neurotransmisor están relacionados con alteraciones en la síntesis del transmisor, el llenado de las vesículas sinápticas de neurotransmisor y el posterior transporte de éstas hacia la membrana presináptica (Bliss y Collingridge, 1993). No obstante, otros resultados ponen en duda el hecho de que durante la PLP se produzca un incremento en la liberación de neurotransmisor. La evidencia experimental más fuerte a favor de este argumento proviene de experimentos en los que se comparan los efectos del neurotransmisor sobre los receptores NMDA y sobre los receptores AMPA. Como ambos receptores están localizados conjuntamente en la membrana postsináptica, si se produjera un incremento en la liberación de neurotransmisor, se esperaría que ambos receptores fueran afectados en la misma medida. Sin embargo, diversos experimentos muestran que no es esto lo que ocurre (Kauer, Malenka y Nicoll, 1988; Muller, Larson y Lynch, 1989). La polémica continúa y sirva como ejemplo que dos publicaciones casi simultáneas provenientes de laboratorios diferentes llegan a conclusiones contrarias. Ambos trabajos utilizan estrategias diferentes, si bien coinciden en el objetivo de medir la probabilidad de liberación del neurotransmisor. Stevens y Wang (1994) aportan datos que indican que se produce una mayor liberación de neurotransmisor, y Manabe y Nicoll (1994) aportan datos que le llevan a concluir en sentido contrario, defendiendo que los cambios en la PLP son exclusivamente postsinápticos. La razón de estas contradicciones está, a juicio de Malinow (1994), en la insuficiente resolución de los medios técnicos para medir cambios a ambos lados de la sinapsis de forma independiente. Con todo, al menos en el giro dentado, una reciente revisión de la evidencia experimental obtenida tanto in vitro como in vivo sobre el incremento en la liberación de neurotransmisor en la PLP muestra que una característica bien establecida de esta forma de PLP es el incremento en la liberación de glutamato (Richter, Canevari y Bliss, 1995).
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Preparaciones in vitro de terminales axónicos, en los que puede estudiarse el comportamiento de las vesículas sinápticas, y así de la liberación del transmisor. xi
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En todo caso, como hemos visto, no cabe duda de que la iniciación de la PLP tiene su causa en un mecanismo postsináptico. Así, si en su mantenimiento interviniera un mecanismo presináptico, debería existir alguna señal que comunicara la neurona postsináptica con la presináptica. La existencia de tal mensajero retrógrado, pensamos, debe ayudar a aclarar la posibilidad de cambios presinápticos.
3.2.2. Mensajeros retrógrados El candidato más clásico que se ha propuesto para ser un mensajero retrógrado en la PLP es el ácido araquidónico. El ácido araquidónico se ha propuesto en base a cuatro líneas argumentales principales. Primero, se conoce que tras estimulación de los receptores NMDA es liberado al medio extracelular (Dumuis et al., 1988). Segundo, se ha comprobado un incremento de su salida tras la inducción de PLP (Clements, Bliss y Lynch, 1991). Tercero, la aplicación de ácido araquidónico a sinapsis hipocampales produce una lenta potenciación de la sinapsis (Barbour, Szatkowski, Ingledew y Attwell, 1989). Por último, ya vimos previamente que el ácido araquidónico se libera como consecuencia de la acción de la fosfolipasa A2 y que inhibidores de ésta bloquean la PLP. No obstante, este resultado no parece consistente, al no replicarse cuando se cambia el inhibidor utilizado (Massicotte et al., 1990). Más recientemente se ha sugerido que el óxido nítrico (NO) podría hacer las funciones de mensajero retrógrado (Bohme et al., 1991; Madison, 1993; Medina e Izquierdo, 1995; O’Dell, Hawkins, Kandel y Arancio, 1991; Schuman y Madison, 1991, 1994), en gran parte porque el NO es gaseoso, de menor duración y de más rápida difusión que el ácido araquidónico. Dos son los argumentos principales que apoyan la implicación del NO en la PLP: 1) como el ácido araquidónico, el NO también se libera tras la activación de receptores NMDA; 2) inhibidores del NO sintetasa, enzima que cataliza la formación de NO, bloquean la PLP (Bohme et al., 1991; O’Dell, Hawkins, Kandel y Arancio, 1991; Schuman y Madison, 1991). Coherentemente, además, en varios experimentos estos inhibidores han mostrado ser capaces de bloquear el aprendizaje, al igual que antagonistas NMDA, como veremos en el capítulo IV (Fin et al., 1995). Por otro lado, también relacionando NO con PLP un sugerente estudio ha mostrado que el emparejamiento de estimulación presináptica por debajo del umbral necesario para producir PLP con NO sí es suficiente para producir PLP (Zhuo, Small, Kandel y Hawkins, 1993). No obstante, tampoco está ni mucho menos clara la implicación del NO en la PLP. Algunos laboratorios no han conseguido replicar los resultados con inhibidores de la NO 374
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sintetasa, sugiriéndose que los inhibidores utilizados ejercían sus efectos sobre la PLP por mecanismos diferentes a su acción sobre el NO (Gribkoff y Lum-Ragan, 1992). Más importante es que se ha comprobado que cuando se administran in vivo, estos inhibidores no bloquean la PLP (Bannerman et al., 1994). Otros mensajeros retrógrados que se han propuesto alternativa o complementariamente al ácido araquidónico y al NO son el monóxido de carbono (CO), sustancia de características muy similares al NO (Bernabeu et al., 1995; Zhuo et al., 1994), y los iones potasio, que actuarían tras su salida de la neurona postsináptica durante la estimulación tetánica (Fleck, Palmer y Barrionuevo, 1992). En general, y considerando tanto la diversidad de los resultados expuestos como otras características de estas sustancias, podemos decir, siguiendo a Bliss y Collingridge (1993), que existe un problema común para los diferentes candidatos expuestos: el curso temporal en el que se produce su acción. Ninguno de ellos parece ejercer sus efectos con la suficiente rapidez, propiedad que parece necesaria para un mensajero retrógrado (no obstante, para una valoración más optimista de los datos sobre mensajeros retrógrados véase Rison y Stanton, 1995, y Medina e Izquierdo, 1995). En conclusión, por el momento no existe evidencia experimental concluyente a favor de la existencia de mensajeros retrógrados en la PLP. Lo mismo cabe decir respecto a la existencia de modificaciones presinápticas como eventos responsables de la PLP. Fuera de discusión queda, por otro lado, que el lugar de iniciación de la PLP es postsináptico y no presináptico y en él están implicados los receptores NMDA. Asimismo, está fuera de duda que existen mecanismos de mantenimiento y expresión de la PLP meramente postsinápticos, si bien aún no hay un modelo integrador para los diferentes candidatos propuestos. Estos mecanismos inciden, de una forma u otra, en los receptores AMPA, principales responsables del mantenimiento y la expresión de la PLP. En todo caso, la existencia de mecanismos postsinápticos no excluye la posibilidad de hallar mecanismos presinápticos adicionales. La búsqueda de estos mecanismos, así como la de mensajeros retrógrados plausibles, continúa siendo una de las líneas de investigación más activas en relación a la neurofisiología de la PLP.
4. Implicación de la PLP en el aprendizaje y la memoria En la primera parte de este capítulo se han expuesto una serie de características, como la especificidad o la asociatividad, que hacen de la PLP un mecanismo de plasticidad sináptica ideal para estar en la base de fenómenos de xi
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aprendizaje y memoria. Asimismo, vimos que la PLP es un fenómeno típico del hipocampo, la estructura cerebral más claramente implicada en el aprendizaje y la memoria. Incluso, expusimos que un patrón electroencefalográfico típico del hipocampo, el ritmo theta, es suficiente para originar PLP. Por último, estudiamos cómo las caracerísticas que hacen de la PLP un mecanismo de plasticidad ideal para el aprendizaje dependen críticamente de las peculiaridades del receptor NMDA, que detecta la convergencia de actividad pre- y postsináptica para iniciar cambios en la eficacia de la conexión entre dos neuronas. Esta es, en definitiva, una forma de implementación de la regla de aprendizaje de Hebb en el sistema nervioso. En resumen, todos estos fenómenos redundan en la existencia de una relación entre PLP y aprendizaje. No obstante, esta relación, hasta donde hemos expuesto, está fundamentada sólo racionalmente, en base a argumentos. Así, son necesarios datos que relacionen empíricamente PLP con aprendizaje y memoria. En este apartado vamos a hacer un repaso de los estudios que, empíricamente, relacionan la PLP con el aprendizaje y la memoria. Estos estudios pueden agruparse en varios conjuntos, según las estrategias que siguen. Veremos en primer lugar estudios correlacionales, en los que se estudia la relación existente entre la magnitud de la PLP y la magnitud de la memoria. Como evidencias más convincentes, al utilizar una estrategia experimental en lugar de correlacional, repasaremos estudios en los que se analiza el efecto del aprendizaje en la PLP inducida posteriormente así como, a la inversa, el efecto de la PLP en el posterior aprendizaje. Asimismo, también dentro de una metodología experimental, veremos experimentos que estudian los efectos que la manipulación de una tercera variable tiene tanto sobre la memoria como sobre la PLP. Es esperable que si la PLP es una forma de plasticidad sináptica implicada en el aprendizaje y la memoria, manipulaciones que bloqueen la PLP deberían bloquear también el aprendizaje y la memoria, y viceversa. Dentro de esta estrategia, la mayor cantidad de datos corresponden a estudios sobre efectos de antagonistas de receptores NMDA en el aprendizaje y la memoria, que repasaremos en el próximo capítulo. Como evidencias más indirectas, repasaremos algunos estudios sobre el papel de los receptores NMDA en la maduración del sistema nervioso y estudios en los que se produce un aumento del número de receptores del glutamato como consecuencia del aprendizaje y la PLP. Para finalizar el capítulo, repasaremos los estudios más novedosos que tratan con la relación existente entre PLP y aprendizaje, basados en la producción de mutantes que se espera tengan una incapacidad selectiva para presentar PLP y/o aprendizaje. Sin duda, la clasificación que hacemos en diferentes estrategias es, al menos en parte, arbitraria. Hay estudios a los que no es fácil clasificar en una estrategia. Por 374
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ejemplo, hay experimentos que mezclan una estrategia experimental en la que manipulan la experiencia de aprendizaje para estudiar su efecto sobre la PLP con una correlacional en la que relacionan la magnitud de la memoria y la magnitud de la PLP. No obstante, pensamos que la clasificación que seguimos pone orden en la gran cantidad de datos que en la actualidad existen relacionando PLP y aprendizaje. Por otro lado, la mayor parte de las tareas de aprendizaje a las que se irá haciendo referencia, así como la implicación que en las mismas pueda tener el hipocampo, se exponen en el capítulo IV.
4.1. Estudios correlacionales entre la magnitud de la PLP y la magnitud de la memoria Uno de los primeros estudios sobre los correlatos conductuales de la PLP fue el llevado a cabo por Barnes (1979). En este estudio, Barnes situó electrodos de estimulación en la vía perforada y de registro en el giro dentado, produciendo PLP en el mismo. Además, entrenó a las ratas en una tarea de aprendizaje espacial. Barnes encontró una alta correlación entre la duración de la PLP producida en el giro dentado y la duración de la memoria en la tarea conductual. Asimismo, encontró una relación muy sugerente entre la edad de las ratas y su capacidad para retener tanto PLP como información en su memoria. Las ratas viejas mostraban un decaimiento más rápido de la PLP, así como un olvido más rápido de la información espacial que las ratas jóvenes (Barnes, 1979; Barnes y McNaughton, 1985). Recientemente, han encontrado evidencias de que el déficit en producir PLP en ratas viejas tiene que ver con la existencia de un menor número de aferencias a CA123 (colaterales de Schaffer), y no con una alteración en los receptores NMDA (Barnes, Rao y McNaughton, 1996). En una línea similar se sitúan los resultados encontrados con el condicionamiento de evitación. Se ha encontrado una correlación significativa entre ratas buenas y malas aprendedoras en una tarea de evitación bidireccional y el umbral para el establecimiento de la PLP en el hipocampo. Los resultados indican que en las buenas aprendedoras el establecimiento de la PLP es más fácil, como consecuencia de un umbral para su establecimiento menor, que en las malas aprendedoras (Ramírez, Orshinger y Carrer, 1988). Estos investigadores dieron un paso más, estudiando el papel de los receptores NMDA en estos hallazgos, y encontraron una mayor densidad de estos receptores en el hipocampo de ratas 23
Recuérdese que, según el principio de cooperatividad, la PLP sólo se produce si existe un número de aferencias suficientes que despolaricen la neurona postsináptica. xi
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buenas aprendedoras en relación con las malas aprendedoras (Keller, Borghese, Carrer y Ramírez, 1992). En otro laboratorio también se ha encontrado una correlación similar entre aprendizaje de la evitación pasiva bidireccional y la PLP, esta vez en el septum lateral. En este trabajo se encontró que las ratas buenas aprendedoras mostraron un incremento en la excitabilidad de las sinapsis, en tanto que las ratas malas aprendedoras mostraron una depresión en su excitabilidad. En ambos casos, estos cambios en excitabilidad duraron 24 horas. En un segundo experimento comprobaron que, aunque ambos grupos fueron capaces de establecer PLP tras estimulación tetánica de la fimbria (aferencias al septum), la magnitud de la PLP fue ligeramente mayor en los sujetos que mostraron una mejor ejecución en el aprendizaje previo (Urban, Ontskul, Croiset y Cheng, 1995). También se ha encontrado una correlación significativa entre la PLP en el giro dentado de ratas anestesiadas y la adquisición del condicionamiento del miedo al contexto (Maren, De Oca y Fanselow, 1994). En este trabajo se exploraron, además, diferencias de sexo en relación a la PLP. En un primer experimento encontraron que la magnitud de la PLP inducida en el giro dentado fue notablemente superior en ratas machos que en ratas hembras. De nuevo, los análisis revelaron que esta diferencia en la magnitud de la PLP estaba altamente correlacionada con la activación de los receptores NMDA en machos y hembras. En los experimentos 2 y 3 se mostró que los machos mostraron también un condicionamiento del miedo mayor y más rápido que las hembras. En definitiva, diversos estudios muestran una correlación entre la magnitud de la PLP producida tras estimulación tetánica y la magnitud de la memoria en los mismos animales tras una experiencia de aprendizaje, o entre la magnitud de la memoria y la facilidad para producir PLP. Asimismo, se produce una estrecha relación entre la magnitud de la PLP y la memoria con la activación y la densidad de los receptores NMDA. En los estudios que vamos a exponer a continuación la estrategia básica seguida es la de someter a los animales a una experiencia o entrenamiento de aprendizaje específico y medir posteriormente la posible existencia de cambios fisiológicos similares a los obtenidos durante la PLP. En algunos de estos estudios también se realizan estudios correlacionales entre la magnitud de la memoria y la magnitud de la PLP.
4.2. El efecto de la experiencia y el aprendizaje sobre la PLP Varios experimentos arrojan evidencias indirectas acerca de los efectos de la experiencia sobre la PLP. Así, en un estudio en el que a ratas se les colocaron 374
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electrodos de registro en el giro dentado, los animales fueron cambiados de un contexto estimularmente pobre a otro estimularmente complejo. Durante los primeros días después del cambio y originados por la conducta de exploración se observaron en el giro dentado cambios en los potenciales postsinápticos similares a los obtenidos con la PLP, que fueron desapareciendo al poco tiempo, pero que volvieron a producirse cuando se cambió a las ratas a un nuevo contexto complejo (Sharp, McNaughton y Barnes, 1985). Resultados muy similares también fueron encontrados en otro laboratorio, tanto in vivo como in vitro (Green y Greenough, 1986; Green, McNaughton y Barnes, 1990). Aunque los resultados son indirectos sobre una posible influencia del aprendizaje en el desarrollo de la PLP, durante varios años se ha considerado que estos cambios podían estar reflejando el desarrollo de PLP como consecuencia de la experiencia del sujeto. No obstante, estudios recientes han mostrado que este incremento de la eficacia sináptica no es propiamente PLP, dado que: 1) se han encontrado efectos aditivos de la potenciación obtenida de esta manera y mediante la estimulación tetánica (Erickson, McNaughton y Barnes, 1993); 2) se ha encontrado que parte de los cambios fisiológicos producidos tras el cambio de contexto son distintos de los producidos durante la PLP (Erickson et al., 1993); y 3) se ha encontrado una estrecha correlación entre los cambios inducidos de esta manera y un ligero aumento en la temperatura cerebral, aumento que afecta a la velocidad de conducción nerviosa (Moser, Mathiesen y Andersen, 1993a), de forma que cuando este efecto es controlado, los pequeños cambios que aún se producen en los potenciales postsinápticos del giro dentado son fácilmente interpretables como un efecto de potenciación de corta duración producido por la conducta exploratoria (Moser, Mathiesen y Andersen, 1993b). No obstante estos resultados, los propios autores han encontrado evidencias de que no todo el incremento en los potenciales postsinápticos puede ser explicado por un aumento de la temperatura cerebral. Encontraron que cuando la temperatura cerebral aumenta como consecuencia de la conducta exploratoria, la potenciación es mayor que cuando el mismo aumento de temperatura se produce como consecuencia de un aumento de la temperatura corporal (Moser, Moser y Andersen, 1993). No obstante, la potenciación observada presenta características diferentes y es de menor duración (15 a 20 minutos) que la PLP in vivo En otros estudios, se ha empleado el condicionamiento de la respuesta de la membrana nictitante (NMR) del conejo, una tarea en la que el hipocampo está implicado (ver p. ej., Berger y Weisz, 1987), para estudiar la relación entre aprendizaje y cambios fisiológicos que podrían estar indicando la presencia de PLP. xi
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Weisz, Clark y Thompson (1984) encontraron una correlación entre la magnitud del condicionamiento y la amplitud de los potenciales en el giro dentado, siendo los potenciales de mayor amplitud similares a los obtenidos durante la PLP. Otros experimentos muestran datos más indirectos obtenidos con el condicionamiento de la NMR del conejo, en los que, tras el condicionamiento, se apreciaron cambios bioquímicos típicos de la PLP, aunque no definitorios de la misma, tales como un aumento en los lugares de unión del glutamato (Mamounas, Thompson, Lynch y Baudry, 1984) o un aumento en la liberación del neurotransmisor (Laroche, Errington, Lynch y Bliss, 1987; Richter, Canevari y Bliss, 1995). En la misma línea pueden situarse algunos estudios llevados a cabo por el grupo de Laroche con supresión condicionada en ratas (Laroche, Doyère y RédiniDel Negro, 1991a; Laroche, Doyère, Rédini-Del Negro y Burette, 1995). Entrenaron dos grupos de ratas, uno bajo una condición de condicionamiento y otro bajo una condición en que EC y EI se presentaron descorrelacionadamente. Tras el entrenamiento, encontraron un incremento en los potenciales postsinápticos en el grupo de condicionamiento, y un decremento en el grupo descorrelacionado, fenómenos similares a los cambios producidos en la PLP y la DLP respectivamente24. El incremento en los potenciales postsinápticos observado en el grupo de condicionamiento fue incrementando con los ensayos, hasta alcanzar un nivel asintótico, de forma paralela a lo que ocurría con la medida conductual de supresión condicionada. Estudiaron también si estos cambios podían deberse a un aumento en la temperatura cerebral, como ocurría en los experimentos ya citados con la conducta de exploración, encontrando una completa falta de correspondencia entre variaciones en la temperatura en el giro dentado y el incremento en los potenciales postsinápticos. La conclusión es, por tanto, que el incremento en los potenciales postsinápticos es consecuencia del entrenamiento en condicionamiento clásico, y no de un aumento en la temperatura cerebral. No obstante, de nuevo es necesario decir que la duración del incremento observado en los potenciales postsinápticos fue de menor duración que los producidos durante la PLP. Por último, al igual que hemos visto con el condicionamiento de la NMR del conejo, también con supresión condicionada, el grupo de Laroche ha encontrado un aumento en la liberación de glutamato tras el aprendizaje, que se asemeja al tipo de cambios producidos tras la estimulación tetánica que produce PLP (Laroche, Doyère y Rédini-Del Negro, 1991b). Aunque, obviamente, esto no significa que el aprendizaje y la estimulación tetánica aumenten la liberación de neurotransmisor a 24
Es interesante observar que la presentación de estímulos descorrelacionadamente refleja a nivel conductual las condiciones de estimulación neuronal necesarias para producir DLP (ver capítulo I). 374
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través de los mismos mecanismos, el hecho de que en ambos casos el aumento en la liberación del neurotransmisor quede bloqueado por un mismo agente, AP5, sugiere un mecanismo común (Rédini-Del Negro & Laroche, 1993). Además de los problemas expuestos, los estudios que muestran un cambio en los potenciales postsinápticos tras la conducta de exploración presentan otra dificultad, al no poderse determinar qué tipo de aprendizaje se estaría produciendo en las ratas, si es que se produce alguno. Por otro lado, los experimentos citados con el condicionamiento de la NMR del conejo y con supresión condicionada en ratas no miden PLP directamente, sino algunos correlatos de ésta, como el incremento en los potenciales postsinápticos. Así, para estudiar el efecto del aprendizaje sobre la posterior PLP un experimento crucial es estudiar el efecto del entrenamiento en una forma de aprendizaje bien conocida sobre la posterior inducción de PLP. Cuando se han llevado a cabo este tipo de experimentos tanto en el condicionamiento de la NMR en el conejo, como con supresión condicionada en ratas, los resultados han vuelto a apoyar una relación entre aprendizaje y PLP. Los grupos en los que se produce condicionamiento muestran una mayor PLP cuando ésta es inducida por estimulación tetánica un día después del entrenamiento (Loturco, Coulter y Alkon, 1988, con condicionamiento de la NMR) e incluso cinco días después (Bergis, Bloch y Laroche, 1990, con supresión condicionada). Estos datos muestran, además, una duración de los cambios producidos tras el aprendizaje mucho mayor que la obtenida en los experimentos previamente descritos con medición directa de los potenciales postsinápticos, y comparable ya a la duración común de la PLP. Resultados muy similares se han obtenido también con otros paradigmas de aprendizaje. Así, Skelton et al. (1987) colocaron electrodos de estimulación en la vía perforada y de registro en el giro dentado de ratas que fueron sometidas a un entrenamiento de condicionamiento operante para conseguir comida. Tras cada sesión de entrenamiento, se estimuló la vía perforada con objeto de producir PLP en el giro dentado. La potenciación obtenida fue mayor a medida que las sesiones de entrenamiento aumentaban. Sin embargo, este efecto no se observó en ratas con libre disposición de comida, mostrándose así que el entrenamiento en condicionamiento operante facilita la PLP inducida posteriormente. Más recientemente, utilizando la misma metodología un interesante trabajo ha mostrado que es necesario afinar más para encontrar relaciones entre aprendizaje y PLP (Izaki y Arita, 1996). Utilizando un procedimiento de aprendizaje de evitación discriminada, estos investigadores mostraron que, 24 horas después de la experiencia de aprendizaje, la PLP inducida en el giro dentado aumentó con respecto a animales control. Sin embargo, la PLP inducida en el área CA1 fue xi
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menor que en los animales control. En definitiva, el aprendizaje de evitación produjo una potenciación de la PLP en el giro dentado, pero una inhibición de la PLP en el área CA1. Este resultado llama la atención sobre las dificultades y contradicciones que pueden surgir de relacionar cualquier forma de aprendizaje con cualquier forma de PLP. En general, todos estos trabajos mantienen un supuesto común, basado de una manera u otra en el isomorfismo expuesto entre PLP y condicionamiento, por el que la estimulación a un nivel tiene una correspondencia directa con la estimulación a otro nivel. Así, se espera que tras estimulaciones a nivel conductual se puedan obtener las respuestas fisiológicas propias de PLP (incremento en los potenciales postsinápticos), o una mayor facilidad en la posterior inducción de la misma. Para ello es necesario asumir que la estimulación conductual en cuestion se traduce en estimulación fisiológica precisa capaz de inducir PLP. Como ya hemos indicado, pensamos que esta traducción de estimulación conductual a estimulación fisiológica es el punto más débil de la analogía entre PLP y condicionamiento. No obstante, hay un conjunto de trabajos que han tratado de encarar directamente el problema, soslayando la asunción y así el conflicto de la traducción del nivel conductual al fisiológico. Para ello, han empleado en tareas de condicionamiento clásico ECs fisiológicos en lugar de conductuales. En otros trabajos del grupo de Laroche se utilizó un procedimiento de supresión condicionada en ratas, aunque muy particular, al emplear como EC la estimulación tetánica de la vía perforada del hipocampo en sustitución de estimulación exteroceptiva como EC (Laroche, Doyère y Bloch, 1989). Este tipo de estimulación de la vía perforada produce PLP. Por lo demás, el procedimiento es similar a la supresión condicionada normal, empleándose una descarga eléctrica en las patas como EI. Con este procedimiento, los animales aprenden a asociar la estimulación en la vía perforada con el EI y dejan de presionar la palanca en presencia de esta estimulación. Laroche y colaboradores encontraron una alta correlación entre la magnitud de la PLP establecida y la magnitud del aprendizaje. Adicionalmente, cuando suprimieron la PLP por diferentes métodos tampoco obtuvieron evidencia de aprendizaje asociativo. Estos métodos fueron: 1) disminuir los parámetros de la estimulación en la vía perforada, de forma que no se prudujera PLP, sino potenciación postetánica; 2) modular inhibitoriamente la estimulación en la vía perforada mediante estimulación simultánea de las entradas comisurales al giro dentado; 3) administración crónica previa de AP5 (antagonista de receptores NMDA), que bloqueó tanto la iniciación de PLP como el aprendizaje de la asociación mencionada. Así, con este procedimiento la PLP es necesaria para que se 374
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produza condicionamiento. Bloquear su inducción por cualquiera de los tres métodos descritos lleva a que no se produzca la asociación EC-EI. En un experimento posterior, compararon la función de decaimiento de la PLP con la función de olvido del condicionamiento durante un periodo de 31 días (Laroche, Doyère y Rédini-Del Negro, 1991b). En general, los resultados mostraron que las ratas con una lenta función de decaimiento de PLP y en las cuales podía observarse potenciación pasado un mes del entrenamiento exhibieron buena retención de la asociación EC-EI, en tanto que el olvido fue el denominador común en las ratas en las que la PLP decayó más rápidamente. Otro conjunto de experimentos son los llevados a cabo por Matthies y colaboradores (Matthies et al., 1986; Reymann et al., 1982) con una tarea de evitación bidireccional señalada por un EC. De nuevo se empleó como EC la estimulación de alta frecuencia de la vía perforada. A lo largo de las sesiones de condicionamiento, los cambios en los potenciales postsinápticos correlacionaron de manera robusta con cambios en la respuesta aprendida, correspondiéndose las sesiones en las que se obtuvo aprendizaje asintótico con las sesiones en las que se obtuvo PLP asintótica. A pesar de lo sugerente de estos procedimientos, que sustituyen la estimulación exteroceptiva por estimulación hipocampal directa, y de la aparente elegancia de los resultados, pensamos que surge un problema de interpretación importante. El problema se hace más evidente, no más grave, en los experimentos de Laroche y colaboradores, en los que se compara estimulación tetánica de la vía perforada con estimulación de menor frecuencia que produce potenciación postetánica. El problema es: ¿la estimulación tetánica de alta frecuencia es necesaria por producir PLP o por ser un estímulo efectivo capaz de ser asociado a una descarga? Los autores concluyen que la PLP es necesaria para que se produzca la asociación. No obstante, pensamos que no se puede excluir la segunda interpretación. Podría ocurrir que la estimulación interoceptiva necesaria para producir PLP -estimulación de alta frecuencia de la vía perforada- fuera, simplemente, más saliente que la estimulación de baja frecuencia de la misma vía, y por eso fuera más fácilmente asociable con un EI. Cuando no se produce PLP debido al bloqueo de su iniciación, o se producen otros cambios fisiológicos como estimulación de baja frecuencia, podría ocurrir simplemente que no hubiera una estimulación suficientemente saliente como para convertirse en EC. Así, no se estaría produciendo un bloqueo de la asociación EC-EI, sino la ausencia de un estímulo efectivo para ser asociado.
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Gran parte de este problema podria eludirse si se estimularan vías sensoriales primarias, directamente relacionadas con la estimulación, en lugar de las proyecciones al hipocampo, cuyo origen sensorial es indeterminado. Esto se ha llevado a cabo estimulando las proyecciones del tracto olfatorio lateral, que hacen sinapsis con la corteza piriforme (Roman, Chaillan y Soumireu-Mourat, 1993; Roman, Staubli y Lynch, 1987). En estos estudios, se empleó un entrenamiento en discriminación en el que se utillizó como clave que indicaba la presencia de agua un patrón de estimulación tetánica en el tracto olfatorio lateral. En estas condiciones las ratas aprendieron fácilmente la tarea. La interesante interpretación que hacen los autores de esta estimulación en el tracto olfatorio es que la estimulación viene a sustituir a un olor real. De hecho, tras la estimulación del tracto, las ratas mostraron conductas de olfateo y exploración. Asimismo, la ejecución de las ratas fue muy similar a la ejecución cuando la clave discriminativa fue un olor real. Roman y colaboradores encontraron que a medida que el condicionamiento se iba adquiriendo, se producía también un incremento en los potenciales postsinápticos (PLP) de la corteza piriforme, encontrándose una clara correlación entre la pendiente de los potenciales postsinápticos y el número de respuestas correctas. Sin embargo, y este dato es crucial, si el animal no había aprendido la discriminación, no se producía PLP. Así, la estimulación tetánica del tracto olfatorio lateral en sí misma no se mostró suficiente para producir PLP en la corteza piriforme. Más bien lo contrario. Cuando se estimuló tetánicamente el tracto olfatorio lateral de ratas fuera de una situación de aprendizaje, lo que se observó fue depresión postsináptica25. Por tanto, la potenciación registrada no puede explicarse como el resultado de la estimulación fisiológica por sí sola, como en el caso de los experimentos de Matthies y de Laroche que hemos visto, sino que muestra ser dependiente del aprendizaje. Si bien la línea clásica en el estudio de la relación entre PLP y aprendizaje y memoria ha estudiado la PLP en el giro dentado y en CA1, donde es dependiente de los receptores NMDA, el creciente interés que va adquiriendo la PLP en CA3 ha 25
Así, parece que la estimulación tetánica en el hipocampo y en la corteza piriforme tiene resultados diferentes, incluso opuestos. En el hipocampo produce PLP, en tanto que en la corteza piriforme produce depresión a largo plazo (DLP). Una explicación de esta diferencia podría ser que el hipocampo no codifica estímulos sensoriales concretos, sino que parece tener un papel limitado en el procesamiento y almacenamiento temporal de determinados tipos de información. Un dispositivo como el receptor NMDA podría estar implicado en el hipocampo en relación al aprendizaje por razones como las expuestas en el apartado relacionado con el ritmo theta. Sin embargo, en la corteza piriforme se representan específicamente olores. La estimulación tetánica de la corteza piriforme estaría representando un olor. Cuando ese olor es seguido por un EI se produciria PLP. Sin embargo, cuando de forma sistemática el olor no es seguido del EI, y puede establecerse una correlación negativa entre ambos, se estarían reproduciendo a nivel conductual las condiciones que, a nivel neuronal, provocan DLP (ver capítulo I). 374
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llevado a que surjan los primeros estudios que relacionan la PLP en CA3 con el aprendizaje. En el primero de estos estudios del que tenemos noticia, se comparó el efecto de la estimulación de las fibras musgosas, que hacen sinapsis en CA3, en un grupo de ratas que previamente habían sido entrenadas en un laberinto radial y un grupo control (Mitsuno et al., 1994). En el grupo sometido previamente a la experiencia de aprendizaje, la estimulación de las fibras musgosas produjo un incremento en los potenciales postsinápticos que los autores consideran indicativo de PLP. En un segundo trabajo, implantaron electrodos crónicamente durante la tarea de aprendizaje, comprobando que la amplitud de los potenciales postsinápticos ante estimulaciones de las fibras musgosas aumentaba a medida que el entrenamiento avanzaba (Ishihara, Mitsuno, Ishikawa y Sasa, 1997). No obstante, un problema de intepretación con estos experimentos es que el grupo control no tuvo experiencia alternativa en el laberinto, por lo que las diferencias entre ambos grupos podrían ser indicativas de procesos de plasticidad de corta duración, como la potenciación postetánica, motivados por conductas típicas en laberintos, como la conducta de exploración, sin necesidad de que fueran indicativas de aprendizaje. En resumen, si bien no son concluyentes, el conjunto de experimentos expuestos, utilizando paradigmas experimentales y estrategias diferentes, apuntan a la existencia de relación entre PLP y aprendizaje, indicando que el aprendizaje previo, bien produce cambios en los potenciales postsinápticos del giro dentado similares a los producidos durante la PLP, aunque de menor duración, bien facilita la posterior inducción de PLP.
4.3. El efecto de la inducción de PLP en el posterior aprendizaje En general, se han encontrado dos efectos, opuestos, del establecimiento de PLP sobre el aprendizaje posterior. Por un lado, se ha encontrado que el establecimiento de PLP previo al entrenamiento facilita el aprendizaje; por otro, que lo perjudica. Sin embargo, también se han encontrado resultados que muestran ausencia de efectos. Utilizando el condicionamiento de la NMR del conejo, ya hemos visto que existe una correlación entre cambios similares a los producidos en la PLP y condicionamiento. Berger (1984) estudió si este resultado podía ser algo más que una correlación. Para ello estimuló con pulsos de alta frecuencia el giro dentado de un grupo de animales, induciendo así PLP, y con pulsos de baja frecuencia el giro dentado de un grupo control, estimulación insuficiente para producir PLP. Berger xi
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encontró que el posterior aprendizaje de una discriminación entre dos tonos fue más rápido en los animales en los que había establecido PLP. Este resultado muestra un efecto facilitador de la PLP sobre el posterior aprendizaje. Sin embargo, en un trabajo posterior, este efecto no ha podido ser replicado, encontrándose que la inducción de PLP no afectó al aprendizaje de la discriminación, ni a la posterior inversión de la misma (Rioux y Robinson, 1995). Curiosamente, también se ha encontrado el efecto contrario de la PLP sobre el posterior aprendizaje. Barnes (1979), en el estudio mencionado más arriba, encontró que el aprendizaje de la alternancia espontánea en un laberinto en T se vio dificultado si previamente se inducía PLP en los sujetos. Sin embargo, es interesante destacar que este perjuicio sólo se produjo en ratas viejas, no viéndose alterado el aprendizaje en ratas jóvenes. La interpretación de estos resultados es que tanto la PLP como el aprendizaje de alternancia requieren procesos de plasticidad sináptica, y que las ratas viejas tienen un conjunto limitado de sinapsis plásticas. La PLP inducida previamente saturaría este conjunto, no habiendo disponibilidad de sinapsis modificables para el aprendizaje posterior. En ratas jóvenes, al ser el conjunto de estas sinapsis más amplio, no se presentaría este problema. En esta línea de estudio se sitúan otros resultados que emplean el laberinto radial en su versión de memoria de trabajo. En estos trabajos se observa que la estimulación bilateral del haz angular, que produce PLP hasta un nivel de saturación, impide la posterior adquisición de la tarea e incluso interfiere con la recuperación de lo ya aprendido si el aprendizaje es reciente. No obstante, cuando la tarea ya ha sido bien aprendida, la inducción de PLP no afecta a su recuperación (McNaughton et al., 1986; McNaughton y Morris, 1987). Estudios posteriores llevados a cabo por el mismo equipo utilizando el laberinto de agua confirman y amplían estas conclusiones (Castro, Silbert, McNaughton y Barnes, 1989). En este estudio el procedimiento empleado fue diferente tanto para producir la saturación de la PLP como en relación a la tarea de aprendizaje. La saturación de la PLP se consiguió mediante la estimulación tetánica de la vía perforada durante 19 días consecutivos. La tarea de aprendizaje, como hemos dicho, tuvo lugar utilizando el laberinto de agua, el último día de estimulación. Las ratas en las que se había inducido PLP mostraron una ejecución en el laberinto considerablemente peor que aquéllas que habían recibido estimulaciones de baja frecuencia en la vía perforada que no producían PLP. No obstante, la ejecución de ambos grupos cuando la plataforma se hizo visible fue similar, mostrando que el déficit era específico de la tarea de aprendizaje espacial y no estaba producido por un problema sensorial. Un último e interesante control que 374
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se llevó a cabo en este trabajo fue que cuando se dejó decaer la PLP en las ratas en las que se había inducido, el efecto perjudicial que ésta producía sobre el aprendizaje desapareció. Este conjunto de resultados apuntan a una competencia entre PLP de un lado y los procesos de adquisición y consolidación de otro por los mismos circuitos neuronales, de manera que la actividad producida por la potenciación puede interferir con la actividad sináptica necesaria para la adquisición y consolidación de la información. Una vez que la PLP decae, las sinapsis vuelven a estar disponibles para alterar su eficacia durante la tarea de aprendizaje. De nuevo, estos sugerentes resultados no están exentos de problemas. Hay varios trabajos que no han conseguido replicar los resultados de que la inducción de PLP hasta la supuesta saturación afecte a una posterior tarea de aprendizaje espacial, tanto en laberintos radiales como en el de agua (Cain, Hargreaves, Boon y Dennison, 1993; Jeffery y Morris, 1993; Robinson, 1992; Sutherland, Dringenberg y Hoesing, 1993), incluso uno por parte del mismo laboratorio de Barnes y McNaughton, en el que se habían encontrado los resultados a favor de la hipótesis de la saturación (Korol et al., 1993). Son varias las razones que podrían dar cuenta de este problema (ver Barnes et al., 1994; Martínez y Derrick, 1996; o Morris, 1994, para una exposición de las mismas), una de las cuales, enfatizada por Barnes y colaboradores y por Morris, resulta de particular importancia: el grado en que se produzca saturación de la PLP en el giro dentado. Barnes y colaboradores han mostrado que los procedimientos utilizados para inducir saturación de la PLP en los estudios en que no se observa un déficit en el aprendizaje tras la inducción de PLP, sólo son eficaces para producir saturación en las sinapsis del hipocampo dorsal, sin que queden saturadas las del hipocampo ventral. Así, en estos experimentos no se estaría produciendo saturación completa de las sinapsis hipocampales. Morris, incluso, argumenta contra la posibilidad siquiera de saturación de la PLP en el hipocampo. En resumen, existen resultados opuestos respecto a la influencia que la PLP tiene sobre el posterior aprendizaje, habiéndose encontrado con unas tareas facilitación o ausencia de efectos (Berger, 1984; Rioux y Robinson, 1995, con el condicionamiento de la NMR del conejo) y con otras bloqueo (Barnes, 1979, con alternancia en un laberinto en T; McNaughton et al., 1986, y McNaughton y Morris, 1987, con laberintos radiales; Castro et al., 1989, con el laberinto de agua). Aunque, como hemos visto, algunos trabajos no han encontrado bloqueo en alguna de estas tareas sobre el posterior aprendizaje, esto podría explicarse por una insuficiente saturación de la PLP. Por otra parte, la disociación existente entre los efectos sobre el condicionamiento de la NMR y sobre tareas espaciales es coherente con la xi
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distinta implicación que el hipocampo tiene en cada una de esas tareas. Las lesiones hipocampales son críticas para el aprendizaje de tareas espaciales, no siéndolo en el condicionamiento de la NMR (ver, p. ej., Schmaltz y Theios, 1972; Solomon et al., 1986). Esta distinta implicación del hipocampo en ambos tipos de tareas resultaría coherente con el hecho de que la producción de PLP en el giro dentado previamente al entrenamiento perjudique sólo el aprendizaje de tareas espaciales, que requieren de la integridad del hipocampo, y no el del condicionamiento de la NMR. El conjunto de experimentos expuestos parecen conducir a una conclusión general: la inducción de PLP influye en el posterior aprendizaje. La explicación más plausible a estos hallazgos es que PLP y aprendizaje compartan, al menos en parte, los mismos circuitos cerebrales. No obstante, algunos resultados contrarios y los problemas que surgen para determinar el nivel de la PLP producida en el hipocampo, y la posible saturación de ésta, no permiten una interpretación precisa de este tipo de experimentos.
4.4. Similitud en los efectos de tratamientos sobre la PLP y el aprendizaje La hipótesis básica subyacente en estos estudios es: si la PLP es un mecanismo responsable de los cambios sinápticos que dan lugar a la adquisición y/o consolidación de la información, la PLP debería ser sensible a tratamientos que, aplicados inmediatamente después del periodo de aprendizaje, lo perjudican. Siguiendo esta hipótesis, y utilizando inhibidores de síntesis de proteínas que afectan al aprendizaje administrados tras el entrenamiento, se ha comprobado que cuando estos inhibidores son administrados justo después de la estimulación tetánica efectiva para producir PLP, la magnitud de la PLP queda también reducida, como hemos expuesto previamente en relación a la implicación de la síntesis de proteínas en la PLP. Asimismo, inhibidores de la calpaína, que hemos visto que bloquean la PLP, producen también un claro deterioro tanto en el aprendizaje espacial como en el aprendizaje de discriminaciones olfatorias (Staubli, Baudry y Lynch, 1984, 1985). Otras sustancias que han mostrado similares efectos sobre la memoria y sobre la PLP son las benzodiacepinas, aganistas gabaérgicos, fármacos de los que se conocen desde hace tiempo sus efectos amnésicos (Brown y Dundee, 1968; Lister, 1985). Más recientemente, se ha evaluado el efecto de estos fármacos sobre la PLP en el hipocampo, encontrándose una supresión parcial de la misma sin que se vean alteradas otras medidas fisiológicas (del Cerro, Lung y Lynch, 1992). Aunque el modo de actuación de las benzodiacepinas sobre la PLP aún no está claro, parece 374
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probable que intervenga alterando el ritmo theta hipocampal, en el cual los receptores GABA son responsables de la hiperpolarización basal sobre la cual se producen los efectos rítmicos despolarizadores como consecuencia de la activación de los receptores NMDA. Por otro lado, y siguiendo la misma lógica -estudiar el efecto sobre la PLP de tratamientos que afectan al aprendizaje-, Bloch y Laroche (1981, 1985) estudiaron el efecto de la estimulación de la formación reticular mesencefálica sobre la PLP y sobre el condicionamiento medido a través de supresión condicionada. Encontraron que la estimulación de la formación reticular facilitó y prolongó la duración de la PLP en el giro dentado. Paralelamente, el mismo tratamiento facilitó y aumentó la duración del aprendizaje de supresión condicionada. Además, el gradiente temporal de la eficacia que la estimulación de la formación reticular tuvo sobre el aprendizaje y sobre la PLP fue el mismo. El hecho de que una misma manipulación tenga el mismo efecto sobre el aprendizaje y sobre la PLP, mostrando además la misma ventana temporal sobre ambos fenómenos parece indicar que existe un mecanismo único de funcionamiento para ambos. Como ya hemos indicado, la mayor cantidad de evidencia sobre los efectos que un mismo tratamiento tiene sobre la PLP y sobre el aprendizaje y la memoria viene a partir de la administración de fármacos antagonistas de receptores NMDA. Hemos visto que, al menos determinadas formas de PLP en el hipocampo son dependientes de los receptores NMDA y que, consecuentemente, la inducción de PLP en el hipocampo (CA1 y giro dentado) queda bloqueada por antagonistas de estos receptores. Resulta interesante, por tanto, estudiar si existe un bloqueo similar del aprendizaje. En el siguiente capítulo se revisarán ampliamente los experimentos realizados a la luz de esta estrategia, que es la que guía nuestros experimentos en el presente trabajo. Por último, el grupo de Iván Izquierdo ha ampliado la estrategia de emplear antagonistas NMDA al estudio de otros fármacos que afectan también a la PLP, encontrando que aquellos fármacos que afectan a la PLP afectan en la misma dirección al aprendizaje. Encuentran, incluso, un paralelismo entre el tiempo en que el fármaco se muestra eficaz para afectar a la PLP y al aprendizaje. En relación a los receptores del glutamato, han estudiado el papel de antagonistas NMDA, antagonistas AMPA, agonistas de los receptores metabotrópicos del glutamato y el propio glutamato. Asimismo, han estudiado también el papel de la norepinefrina y de agonistas y antagonistas GABAA. Algunos de estos resultados los veremos en el capítulo IV, cuando veamos los efectos de antagonistas NMDA sobre la consolidación. Sirva como resumen de sus hallazgos el título de uno de sus trabajos: xi
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“Correlación entre la farmacología de la PLP y la farmacología de la memoria” (Izquierdo y Medina, 1995).
4.5. El papel de los receptores NMDA en el desarrollo del cerebro dependiente de la experiencia El sistema visual se ha utilizado con éxito para estudiar el papel de la experiencia en el desarrollo madurativo normal del cerebro, tanto en mamíferos como en vertebrados inferiores. En los primeros, estudios fisiológicos y anatómicos en la corteza visual primaria del gato han mostrado que en el animal maduro la corteza visual está organizada en columnas de dominio ocular alterno. Estas columnas están perfectamente delimitadas y poseen una superficie similar para cada ojo. Sin embargo, cuando a gatos recién nacidos se les sutura un párpado, impidiéndoseles así la visión con un ojo, estas columnas no se forman, ganando terreno la superficie cortical correspondiente al ojo destapado respecto a la del ojo suturado (Singer, 1987; Wiesel, 1982). El dato importante para nosotros viene de un experimento del equipo de Singer (Kleinschmidt, Bear y Singer, 1987). Estos investigadores administraron AP5, antagonista de receptores NMDA, en la corteza visual, y comprobaron que en estas condiciones la suturación de un párpado no produjo el cambio previamente descrito, lo que indica un papel de los receptores NMDA en la plasticidad sináptica durante el desarrollo de la corteza visual. Adicionalmente, se ha encontrado que este bloqueo de la plasticidad se produjo mucho más claramente en el gato joven que en el gato maduro (Tsumoto, Hagihara, Sato y Hata, 1987), en consonancia con la idea de que la plasticidad sináptica tiene un papel destacado durante el desarrollo del cerebro. Conclusiones similares se han obtenido con las proyecciones retinotectales de la rana (Cline, Debsky y Constantine-Paton, 1987). Estos experimentos relacionan el receptor NMDA con alteraciones en el desarrollo del sistema nervioso debidas a la experiencia, no estrictamente con el aprendizaje. No obstante, no hay duda de que tanto en un caso como en otro se requieren mecanismos de plasticidad sináptica que, estos estudios sugieren, podrían no resultar muy diferentes en uno y otro caso. Estos datos muestran que podría ser el mismo mecanismo básico, el receptor NMDA, el que sea responsable de la plasticidad sináptica durante el desarrollo y durante el aprendizaje, al menos para algunas formas de ambos. Como ya hemos apuntado, el receptor NMDA podría ser un dispositivo universal de modificación de la eficacia sináptica, capaz de realizar
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funciones muy diferentes dependiendo de las propiedades del curcuito neuronal en el que se halle inmerso.
4.6. Aumento del número de receptores relacionado con la PLP y el aprendizaje Varios estudios muestran que tanto el aprendizaje como la PLP producen un aumento en el número de receptores relacionados con el glutamato. Así, Lynch y Baudry encontraron un aumento en el número de estos receptores tras la producción de PLP en el hipocampo de la rata (Lynch y Baudry, 1984) y un incremento en el número de receptores similar tras el entrenamiento en condicionamiento de la NMR del conejo (Mamounas, Thompson, Lynch y Baudry, 1984). Un cambio similar en el número de receptores se produce también tras el entrenamiento de impronta en pollos. McCabe y Horn (1988) encontraron un aumento en la densidad de los receptores NMDA tras el aprendizaje. Por último, de forma paralela a lo que ocurría con los efectos de la PLP sobre el posterior aprendizaje, también se ha encontrado la relación contraria cuando se utiliza una tarea espacial, en la que el hipocampo está críticamente implicado. Utilizando un laberinto radial, se ha relacionado inversamente el número de lugares de unión disponibles para el NMDA en el cerebro de la rata, sugiriendo que estos lugares de unión ya habían sido ocupados durante el aprendizaje (Wenk et al., 1989).
4.7. Estudios con mutantes: en busca del gen responsable de la PLP y el aprendizaje La revolución producida en los últimos años en la ingeniería genética ha alcanzado recientemente a la neurobiología del aprendizaje y la memoria, y se han tratado de identificar genes cuya expresión resulta en la síntesis de varias de las moléculas que hemos visto que están implicadas en el establecimiento de la PLP. La estrategia seguida por varios grupos de investigación es eliminar algún gen, responsable de la síntesis de algunas de las moléculas que intervienen en la cascada de procesos que se producen en la neurona postináptica, y estudiar en el animal resultante (animal normal, a excepción del gen de interés) su capacidad tanto para aprender como para mostrar PLP. Se espera que esta estrategia, en principio muy limpia, elimine parte de los problemas que presentan los estudios psicofarmacológicos que tratan de inhibir la acción de alguna de estas proteínas. Se xi
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ha criticado a muchos de los experimentos que repasamos en relación al mantenimiento de la PLP la falta de especificidad del inhibidor para la molécula específica en cuestión. Asimismo, como veremos en el siguiente capítulo, a los estudios psicofarmacológicos en los que se administra un fármaco antagonista de receptores NMDA se les critica también la existencia de efectos colaterales, que podrían confundir la interpretación de los efectos específicos del fármaco. Así, se espera de esta estrategia que elimine específicamente la proteína concreta en la que estamos interesados, y esto mediante la eliminación del gen responsable de su transcripción. El primer grupo de trabajos que vamos a ver se ha centrado en varias tipos de proteínas kinasas, que vimos que eran fundamentales en una primera fase del mantenimiento de la PLP. Otros trabajos se han centrado en el papel tanto del receptor NMDA como de receptores metabotrópicos del glutamato. El primero de estos trabajos, llevado a cabo por el equipo del premio Nobel Tonegawa, ha abordado el tema de las proteínas kinasas (Silva, Paylor, Wehner y Tonegawa, 1992b; Silva, Stevens, Tonegawa y Wang, 1992a). Concretamente, vimos más arriba que Tonegawa y su grupo se interesaron por la kinasa tipo II dependiente de calcio y calmodulina (CaMKII), y más concretamente por la subunidad de esta molécula. Tonegawa y colaboradores aislaron el gen responsable de esta subunidad y crearon ratones sin este gen. Encontraron que los ratones a los que les faltaba esta subunidad tuvieron mayor dificultad para mostrar PLP (Silva et al., 1992a). En un segundo estudio, mostraron que los ratones mutantes aprendieron más lentamente una tarea de aprendizaje espacial en el laberinto de agua que los ratones control, además de ser más lentos en la localización de la plataforma. Concretamente, en el ensayo de prueba tardaron el doble que los ratones normales en encontrar la plataforma sumergida (Silva et al., 1992b). No obstante, algunos problemas emergen de estos sugerentes experimentos. A nivel neurofisiológico no se produjo una alteración específica de la PLP, sino que otra forma de potenciación sináptica de corta duración también se vio reducida. A nivel conductual, los animales mutantes mostraron alteraciones tales como un aumento de la actividad medida en un campo abierto y ausencia de habituación de la misma. Así, la interpretación de los resultados, tanto neurofisiológicos sobre la PLP como conductuales sobre el laberinto de agua, no resulta directa. Este mismo grupo ha trabajado también sobre la proteína kinasa C (PKC), seleccionando una forma de esta proteína específica del sistema nervioso central, la PKC (Abeliovich et al., 1993). Al igual que en el estudio anterior, en los animales mutantes, a los que les faltaba PKC, la probabilidad de mostrar PLP tras la estimulación tetánica fue menor. A nivel conductual, los mutantes PKC mostraron 374
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problemas de coordinación que, no obstante, no interfirieron con su capacidad para orientarse en el laberinto de agua, en el que mostraron una tasa de aprendizaje similar a los animales control. Sin embargo, en otra tarea de aprendizaje, también sensible a lesiones del hipocampo, el condicionamiento del miedo al contexto, los ratones mutantes mostraron una capacidad de aprendizaje significativamente disminuida. El conjunto de resultados es, también, de difícil interpretación. Por un lado, los animales mostraron deficiencias en un tipo de aprendizaje dependiente del hipocampo y sensible a antagonistas de receptores NMDA, el condicionamiento del miedo al contexto, pero no a otro, también sensible a las lesiones del hipocampo y a antagonistas NMDA, el laberinto de agua. Por otro, los mutantes PKC mostraron problemas de coordinación motora, que apuntan hacia efectos inespecíficos o, cuanto menos, desconocidos de la ausencia de la proteína que podrían estar incidiendo en la tarea conductual. Por último, si bien es cierto que la probabilidad de inducir PLP quedó reducida en los ratones mutantes, un problema de interpretación surge de que ni en este experimento (mutantes PKC) ni en el anterior (mutantes CaMKII) existieron diferencias en la magnitud (pico o amplitud) de los potenciales postsinápticos en los mutantes que sí mostraron PLP respecto a los animales control. Otro trabajo procede del equipo de Eric Kandel, esta vez sin Aplysia (Grant et al., 1992). En él se estudió el papel de otras kinasas: las tirosinas kinasas. Kandel y sus colaboradores estudiaron cuatro mutantes a cada uno de los cuáles les faltaba un gen que codificaba una tirosina kinasa particular presente en el hipocampo (fyn, src, yes o abl). Uno de los mutantes, al que le faltaba el gen que codificaba fyn, sólo consiguió mostrar PLP con estimulaciones más intensas que las habituales. No obstante, en estos ratones, ni la transmisión nerviosa normal ni otras formas de potenciación a corto plazo se alteraron. Como resultado complementario, encontraron que el mutante fyn se orientaba claramente peor que los animales controles en el laberinto de agua. De nuevo, este interesante resultado no está exento de problemas. Parece claro que las proteínas, incluídas tirosinas kinasas, tienen, tanto dentro de la maquinaria celular adulta como durante su desarrollo, diversas funciones, una de las cuáles, pero no la única, podría ser intervenir en la PLP. Como consecuencia de esto, la arquitectura del hipocampo de estos ratones presentó irregularidades claras, tanto en el número de neuronas como en las conexiones entre ellas. Esas anormalidades arquitectónicas en las sinapsis hipocampales podrían explicar la mayor dificultad para obtenerse PLP en el mutante fyn. Asimismo, la ejecución en la tarea de aprendizaje espacial también presenta serios problemas de interpretación, al verse también afectada la ejecución en la tarea control de discriminación entre dos plataformas visibles. xi
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Otros grupos han tratado directamente de crear animales con deficiencias en algún receptor del glutamato o en alguna subunidad del receptor. Así, un laboratorio ha creado ratones con una mutación en la subunidad GluR del canal del receptor NMDA (Sakimura et al., 1995). Aunque la PLP pudo ser inducida en los mutantes GluR, la magnitud de la misma fue menor que en los ratones control. En la tarea del laberinto de agua, estos mutantes, aunque aprendieron a orientarse en el laberinto, mostraron mayores latencias y menor precisión en la búsqueda de la plataforma oculta que los ratones normales. Un resultado problemático es que estos mutantes se mostraron visiblemente nerviosos y con una respuesta de sobresalto aumentada. Los autores concluyen que la subunidad GluR del receptor NMDA es necesaria tanto para la PLP como para el aprendizaje espacial. No obstante, si bien los resultados son más claros que los obtenidos con otros mutantes, la existencia de efectos conductuales distintos al deterioro en la tarea de aprendizaje, mantienen abierta la posibilidad de que efectos inespecíficos de la ausencia de la subunidad GluR puedan explicar los resultados. Otro objetivo ha sido el receptor metabotrópico del glutamato 1 (mGluR1). Vimos en la primera parte del capítulo que existen algunos trabajos que implican a receptores metabotrópicos del glutamato en la PLP. Recientemente, el grupo de Tonegawa ha creado un mutante de uno de estos receptores, mGluR1, particularmente frecuente en el hipocampo (Aiba et al., 1993). Al igual que en los mutantes GluR, en estos mutantes la magnitud de la PLP quedó reducida en relación a animales control. Además, mostraron un deterioro en la adquisición del condicionamiento del miedo al contexto, aunque aprendieron tan bien como los controles el condicionamiento del miedo a un estímulo concreto, tarea esta última no dependiente del hipocampo26. Asimismo, ni la transmisión sináptica normal, ni otras formas de potenciación menos duraderas que la PLP resultaron alteradas. Aunque, de nuevo, los resultados son muy interesantes, pues se muestra a nivel conductual un deterioro selectivo del aprendizaje en tareas que necesitan un hipocampo intacto, y a nivel neurofisiológico un deterioro específico de la PLP, de nuevo surgen resultados problemáticos, dado que los mutantes mGluR1 padecían, al igual que hemos visto con los mutantes PKC, problemas de coordinación motora. Las conclusiones se complican bastante más si consideramos los resultados obtenidos por un laboratorio diferente sobre los mismos mutantes (Conquet et al., 1994). Este grupo encontró también una reducción de la magnitud de la PLP, aunque sólo en CA3, siendo ésta 26
En el capítulo IV analizamos diferentes estudios a partir de los cuáles se concluye que en el condicionamiento del miedo, cuando el estímulo es el contexto la tarea es dependiente del hipocampo, pero cuando el estímulo es una clave discreta la tarea se hace independiente de tratamientos que afectan al hipocampo. 374
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normal en CA1 y en el giro dentado27. A nivel conductual encontraron que en el laberinto de agua los ratones mutantes fueron incapaces de encontrar la plataforma oculta. Sin embargo, de nuevo varios problemas surgieron con estos animales. Así, los mutantes mGluR1 fueron más lentos que los animales control en aprender la tarea del laberinto de agua con la plataforma visible (tarea de control). Además, los animales mostraron una actividad locomotora reducida y una completa ausencia del reflejo de enderezamiento. Asimismo, al igual que en el trabajo anterior con los mismos mutantes, se encontró que los animales mostraron ataxia. Aunque a la luz de sus resultados, la conclusión de los autores de ambos trabajos da un lugar al receptor mGluR1 tanto en la PLP como en el aprendizaje de tareas dependientes del hipocampo, de nuevo pensamos que, debido a la gran cantidad de efectos adicionales que presentan los animales mutados, resulta difícil establecer una conexión firme entre el receptor mGluR1 por un lado y la PLP y el aprendizaje por otro. Otro mutante que se ha sumado a los estudios sobre la relación entre PLP y aprendizaje es un ratón al que le falta el gen Thy-1. El grupo de Bliss y Errington encontró, en un primer estudio, que la PLP en el giro dentado no está implicada en el aprendizaje espacial. Este ratón no mostró ningún problema para aprender a localizar la plataforma oculta en el laberinto de agua. Sin embargo, la PLP in vivo en el giro dentado se vio fuertemente inhibida. De manera interesante, sin embargo, la PLP en el área CA1 hipocampal se desarrolló con normalidad (Nosten-Bertrand et al., 1996). Este resultado parece indicar que la PLP en el giro dentado no interviene en la formación de la memoria espacial, dejando abierto que el hipocampo intervenga en este tipo de memorias mediante el área CA1. Sin embargo, un nuevo estudio realizado por el mismo grupo matiza estas conclusiones. Utilizando nuevas técnicas que permiten monitorizar directamente la PLP in vivo, encontraron que, si bien la PLP en el giro dentado fue menor en ratones Thy-1 que en ratones control, puede observarse una PLP muy clara incluso en los ratones Thy-1 (Errington et al., 1997). Claramente, este nuevo resultado rebaja el alcance de las conclusiones del experimento anterior. Para finalizar con el repaso de esta nueva estrategia que explora la relación entre la PLP y el aprendizaje hay dos aspectos que nos gustaría destacar. Primero, y como hallazgo fundamental, los resultados obtenidos sobre los diferentes tipos de mutantes muestran consistentemente efectos perjudiciales sobre la PLP y sobre 27
Recordemos que la forma de PLP que muestra las características de especificidad, cooperatividad, asociatividad y dependencia de la actividad pre- y postsináptica es la PLP que se desarrolla en CA1 y en el giro dentado. La PLP en CA3 posee diferentes características y es independiente de los receptores NMDA. xi
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tareas de aprendizaje dependientes del hipocampo. El análisis que se deriva de este resultado es que PLP y aprendizaje están relacionados, al ser dependientes de una causa común (la proteína codificada por el gen), de forma que cuando ésta se altera (animal mutante), la PLP y el aprendizaje se deterioran. No obstante, conviene reparar en que este análisis no establece una relación causa-efecto entre PLP y aprendizaje, sino entre la proteína específica (causa) y aprendizaje y PLP (efectos). Así, a nivel explicativo, esta estrategia no es más potente que otras (p. ej., administración de un farmaco -causa- que se espera bloquee la PLP y el aprendizaje -efectos-). Segundo, como hallazgos adicionales, los diferentes experimentos muestran, también de forma consistente, que en los animales mutantes se producen, además de alteraciones sobre la PLP y el aprendizaje, otros tipos de efectos tanto fisiológicos como conductuales, que arrojan dudas sobre la interpretación de los resultados obtenidos. Varios de estos efectos (p. ej., modificación de la arquitectura del hipocampo o deficiencias en la tarea de discriminación visual del laberinto de agua) son notablemente problemáticos, más que los efectos colaterales que habitualmente se han descrito utilizando la estrategia farmacológica con fármacos antagonistas de receptores NMDA. Así, respecto a la limpieza del procedimiento, tampoco creemos que esta estrategia esté en ventaja respecto a la estrategia farmacológica, que describimos en el próximo capítulo, y en la cual se enmarcan los experimentos de esta tesis (para una completa discusión de la estrategia expuesta en este apartado ver Deutsch, 1994 y Gerlai, 1996). En palabras de Morris (1994), “la pequeña revolución industrial en la construcción de ratones con genes neuronales mutados que ha llegado hasta nosotros tiene el potencial tanto de equivocarnos como de iluminarnos” (p. 175).
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CAPÍTULO IV. EFECTOS DE FÁRMACOS ANTAGONISTAS DE RECEPTORES NMDA SOBRE EL APRENDIZAJE Y LA MEMORIA 1. Introducción 1.1. Objetivo del capítulo 1.2. Una estrategia para el estudio de la relación entre PLP y aprendizaje y memoria 1.3. Predicciones en torno al efecto de fármacos antagonistas NMDA y AMPA sobre el aprendizaje y la memoria
2. Efectos sobre la adquisición y la recuperación 2.1. Efectos sobre tareas de aprendizaje espacial 2.1.1. Efectos sobre el laberinto de agua 2.1.2. Efectos sobre laberintos radiales, laberintos en T y otras formas de aprendizaje espacial 2.1.3. Conclusiones 2.2. Efectos sobre la memoria de trabajo en tareas no espaciales 2.3. Efectos sobre el condicionamiento de sabores y olores 2.4. Efectos sobre el condicionamiento del miedo y de evitación 2.5. Efectos sobre formas de aprendizaje típicas de especie 2.6. Efectos sobre el condicionamiento de la respuesta de la membrana nictitante del conejo 2.7. Efectos sobre procedimientos de condicionamiento con múltiples ensayos 2.8. Efectos de la interacción de antagonistas NMDA con fármacos que actúan sobre otros sistemas de neurotransmsión
3. Efectos sobre la consolidación 3.1. Estudios que no encuentran efectos perjudiciales sobre la consolidación 3.2. Estudios que encuentran efectos perjudiciales sobre la consolidación 3.2.1. Efectos de la administración de antagonistas NMDA tras el entrenamiento 3.2.2. Papel de los receptores NMDA en el proceso de consolidación en relación al papel de otros receptores
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Capítulo IV Efectos de fármacos antagonistas de receptores NMDA sobre el aprendizaje y la memoria
1. Introducción 1.1. Objetivo del capítulo El interés en estudiar el efecto de fármacos antagonistas de receptores NMDA sobre el aprendizaje y la memoria está ligado al papel que los receptores NMDA tienen en la PLP. En este contexto, si bien el estudio del efecto de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje y memoria podría tener interés en sí mismo, su mayor interés se desprende de que estos estudios están dentro de una estrategia de investigación para estudiar la relación entre PLP y los procesos de aprendizaje y memoria. Esta estrategia complementa a las que hemos visto en el capítulo anterior. Veremos, en primer lugar, en qué consiste esta estrategia y, posteriormente, las predicciones que pueden establecerse para estos estudios a partir de la relación entre PLP y aprendizaje y memoria. Tanto la estrategia en que se encuadran los experimentos como las predicciones servirán para vertebrar la exposición de experimentos que en torno al efecto de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje y la memoria se hace en este capítulo. Los estudios a que vamos a hacer referencia son muy numerosos y heterogéneos. Todos tienen en común el estudio del efecto de fármacos antagonista de receptores NMDA sobre tareas de aprendizaje. Por lo demás, difieren en mucho y
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son difícilmente comparables. Difieren en la tarea de aprendizaje elegida, en el fármaco utilizado, en la vía y lugar de administración del fármaco, en la relación temporal entre administración del fármaco, entrenamiento y prueba, en la dosis del fármaco empleada, en los parámetros elegidos para el procedimiento, en el grado de control de efectos colaterales, etc. Esta gran heterogeneidad procedimental va acompañada de una diversidad similar en cuanto a resultados. Existen desde experimentos que muestran efectos perjudiciales sobre el aprendizaje hasta experimentos que muestran efectos facilitadores, pasando por los que no encuentran efecto alguno. Lo mismo cabe decir de las conclusiones a las que llegan las publicaciones sobre el tema. En definitiva, el panorama de estudios y resultados es confuso, cuando no contradictorio. En el presente capítulo intentamos ordenar este panorama tratando de encontrar explicación a las diferencias que se encuentran entre resultados. Para esto, hemos utilizado como criterio principal las diferencias procedimentales entre experimentos. Diferentes tareas de aprendizaje, incluso ligeras variaciones en una misma tarea, pueden ejercer demandas distintas sobre el sistema cognitivo. Así, podría ocurrir que sólo algunas tareas fueran sensibles al efecto de antagonistas NMDA, pudiendo esto explicar la disparidad de resultados. De hecho, esto es lo que típicamente ocurre tanto con otros fármacos como con lesiones de estructuras cerebrales específicas. Por ello, los experimentos se han agrupado en apartados según la tarea de aprendizaje en ellos utilizada. El objetivo que guía el capítulo es el análisis del conjunto de resultados, más que su mera exposición, análisis guiado por la estrategia y las predicciones que más adelante se enuncian. Para ello, dentro de cada apartado los diferentes experimentos se intentan exponer de forma que exista una continuidad argumental entre ellos que sirva a este objetivo, sacrificando en ocasiones los objetivos originales de los autores. La exposición que se hace intercala la descripción de experimentos y resultados con su análisis, tratando de ofrecer una lectura coherente del conjunto de resultados.
1.2. Una estrategia para el estudio de la relación entre PLP y aprendizaje y memoria En el capítulo III vimos algunas características de la PLP que la hacen un mecanismo de plasticidad muy sugerente para dar cuenta de los fenómenos de aprendizaje y memoria, varias de ellas directamente relacionadas con su dependencia de los receptores NMDA. Asimismo, también hemos visto numerosas 374
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pruebas, utilizando diferentes estrategias, que muestran la implicación de la PLP en el aprendizaje y la memoria. Una de la estrategias más importantes, no obstante, fue sólo esbozada, y consiste en el estudio del efecto que antagonistas de receptores NMDA tienen sobre el posterior aprendizaje. Esta estrategia es la que seguimos en los experimentos de la presente tesis. Asimismo, esta estrategia ha sido ya empleada en multitud de estudios, utilizando diversos antagonistas NMDA, tanto competitivos como no competitivos, y estudiándose su efecto sobre una gran variedad de tareas de aprendizaje. En este capítulo se revisan gran parte de los estudios realizados siguiendo esta estrategia. La lógica que subyace es la siguiente: Dada la dependencia que la inducción de PLP muestra de los receptores NMDA, el bloqueo mediante fármacos de estos receptores debe bloquear la inducción de PLP y, por tanto, en el caso en que la PLP esté implicada en el aprendizaje, debería dificultarlo. Conviene hacer un par de consideraciones sobre la lógica expuesta. En primer lugar (C.1), que el bloqueo de los receptores NMDA bloquea la iniciación de PLP. Esta presunción se infiere de los datos que muestran que la iniciación de PLP depende de estos receptores (ver capítulo III), pero esta dependencia no implica necesariamente que el bloqueo de receptores NMDA produzca el bloqueo de PLP. Así, siendo éste un supuesto central de la estrategia necesita ser demostrado. Existen numerosas pruebas de ello. Hay múltiples experimentos que muestran que drogas antagonistas de receptores NMDA bloquean la iniciación de PLP, pero no la transmisión nerviosa normal de AEEs, ni la expresión de la PLP previamente establecida, al estar libres los receptores de AEEs AMPA (p. ej., Butcher, Hamberger y Morris, 1991; Collingridge et al., 1990; Collingridge, Kehl y McLennan, 1983; Errington, Lynch y Bliss, 1987; Harris, Ganong y Cotman, 1984; Larson y Lynch, 1988; Morris, 1989c; Muller, Joly y Lynch, 1988; Robinson y Reed, 1992; Stringer y Guyenet, 1983; y Walker y Gold, 1991a, entre otros). La mayoría de estos experimentos se han llevado a cabo utilizando el antagonista competitivo AP5, aunque también se ha obtenido bloqueo de PLP con PCP (Stringer y Guyenet, 1983), con MK-801 o con NPC 12626 (Walker y Gold, 1991a). Mención aparte queremos hacer del fármaco que utilizamos en nuestros experimentos: la ketamina. Como vimos en el capítulo II, existen diversos estudios que han mostrado que la PLP queda bloqueada si previamente a la estimulación tetánica se administra ketamina (Maren, Baudry y Thompson, 1991; Stringer y Guyenet, 1983; Tocco et al., 1992; Zhang y Levy, 1992). La segunda consideración (C.2) es que un fármaco antagonista de receptores NMDA podría producir un efecto perjudicial sobre la ejecución en una tarea de
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aprendizaje sin estar afectando al aprendizaje. De hecho, los diversos fármacos antagonistas NMDA ejercen una acción sobre los receptores NMDA, pero afectan también a otros sistemas, produciendo efectos colaterales (side effects). Así, el efecto final sobre la ejecución podría deberse tanto a un efecto real sobre el aprendizaje por medio del bloqueo de los receptores NMDA como a otros efectos inespecíficos del fármaco, como efectos sensoriales, motores, motivacionales o atencionales (Keith y Rudy, 1990; Martínez, Schulteis y Weinberger, 1991; Shors y Matzel, 1997). Por tanto, en esta estrategia es necesario conocer y controlar los efectos colaterales sobre la ejecución de los fármacos con objeto de poder aislar los efectos del fármaco sobre el aprendizaje debidos a su antagonismo NMDA. En el análisis de los experimentos que hacemos en este capítulo se presta especial atención a los posibles efectos colaterales, tratando de diferenciar los efectos genuinos sobre el aprendizaje y la memoria de otros efectos sobre la ejecución. En lo que sigue, cuando se haga referencia a los efectos colaterales de un fármaco como posible explicación de un detrimento en la ejecución se indicará en el texto con C.2.
1.3. Predicciones en torno al efecto de fármacos antagonistas NMDA y AMPA sobre el aprendizaje y la memoria Ya hemos hecho referencia a que una de las diferencias procedimentales que suele distinguir a los estudios que en este capítulo repasamos es la relación temporal entre administración del fármaco, entrenamiento y prueba. Pues bien, a tenor de lo expuesto en el capítulo anterior sobre la PLP y el papel de los receptores NMDA en ella, si la PLP es una forma de plasticidad sináptica implicada en el aprendizaje, deberían esperarse diferencias en función del momento de administración del antagonista NMDA con respecto al entrenamiento y a la prueba. Estas diferencias, además, tendrían un claro significado psicológico, pues en función del momento de administración del fármaco estarían implicados diferentes procesos de aprendizaje y memoria. Vamos a ver cuáles serían las diferentes predicciones que pueden derivarse a partir de una analogía que podemos establecer entre fases de la memoria y fases de la PLP. Desde una aproximación clásica en la psicología del procesamiento de la información es común distinguir tres tipos de memoria: memoria sensorial, memoria a corto plazo (MCP) y memoria a largo plazo (MLP) (Atkinson y Shiffrin, 1968). El proceso por el cual el registro sensorial pasa a la MCP es la codificación. El proceso por el cual la información pasa de la MCP a la MLP y se forma una huella estable de memoria es la consolidación. Una vez se ha consolidado la huella de memoria, 374
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ésta se puede mantener en la MLP durante un período de tiempo de duración variable, a lo que se llama retención. Posteriormente, cuando la información pasa de la MLP a la MCP y queda accesible se habla de recuperación. Éste es el esquema básico sobre el cual, de una forma más o menos explícita, se trabaja en psicofarmacología de la memoria. Así, en primer lugar, suele distinguirse entre los efectos de un fármaco sobre la adquisición y sobre la recuperación28, bien administrando el fármaco en las sesiones de entrenamiento, bien antes de la prueba de recuerdo. En segundo lugar, dentro de los efectos sobre el aprendizaje, suele distinguirse entre los efectos de la administración previa al entrenamiento (adquisición) y de la administración tras el entrenamiento (consolidación) (McGaugh, 1966, 1989). En relación con la analogía entre PLP y memoria, las fases de adquisición, retención y recuperación de la información de la memoria se corresponderían con las de inducción, mantenimiento y expresión de la PLP. Dado que el procedimiento habitual, tanto para producir aprendizaje como para producir PLP, conlleva cierto tiempo, al final del entrenamiento coexistirían los procesos de adquisición o inducción (de las experiencias de la última parte del entrenamiento) con el de consolidación (de las experiencias de la primera parte del entrenamiento). Por tanto, la consolidación, tanto en relación a la memoria como a la PLP se iniciaría al final del proceso de adquisición e inducción, respectivamente, y se prolongaría durante algún tiempo posterior al entrenamiento (ver fig. 4.1).
Procedimiento experimental
Entrenamiento o estimulación tetánica
Demora
Prueba
Adquisición (entrenamiento)
Retención
Recuperación
Fases en el aprendizaje
Fases en la PLP
Con solidación Inducción (estimulación tetánica)
Mantenimiento
Expresión
Con solidación Receptores implicados en la PLP
NMDA
AMPA
AMPA
Figura 4.1. Posible correspondencia entre las fases propias del aprendizaje y memoria y la PLP, con los receptores del glutamato que serían críticos en cada fase.
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Por utilizar una terminología más frecuente en psicología del aprendizaje, hablaremos de efecto sobre la adquisición en lugar de sobre la codificación. Así, en este trabajo distinguiremos entre efectos sobre la adquisición, efectos sobre la consolidación y efectos sobre la recuperación.
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Vimos en el capítulo III que la iniciación de PLP depende de los receptores NMDA, y el posterior mantenimiento y expresión de la misma se produce como consecuencia de modificaciones en los receptores AMPA. De esto se deduce que, si la PLP es un mecanismo de memoria, la adquisición del aprendizaje debería quedar bloqueado por antagonistas NMDA. Adicionalmente, la recuperación de lo aprendido debería quedar inalterada por antagonistas NMDA y perjudicada por antagonistas AMPA (ver fig 4.1). Concretamente, se derivan cuatro predicciones respecto a la adquisición y la recuperación de la administración de antagonistas NMDA y de antagonistas AMPA, dependiendo del momento de su administración: P.1: la administración de antagonistas NMDA previamente al entrenamiento debería producir un deterioro en la adquisición; P.2: la administración de antagonistas NMDA previamente a la prueba no debería producir efectos sobre la recuperación; P.3: la administración de antagonistas AMPA previamente al entrenamiento no debería producir efectos sobre la adquisición; P.4: la administración de antagonistas AMPA previamente a la prueba debería producir un deterioro en la recuperación. Respecto al proceso de consolidación, las predicciones no son tan claras. En relación a la PLP, la consolidación se situaría entre la última parte de la fase de inducción y la fase de mantenimiento (figura 4.1; ver también Danysz, Zajacskowski y Parsons, 1995). Por tanto, podría ser sensible tanto a antagonistas NMDA, en su primera parte, como a antagonistas AMPA posteriormente. Más concretamente, y teniendo en cuenta la correspondencia mostrada en la figura 4.1. entre PLP y aprendizaje y memoria, el aprendizaje podría verse deteriorado tanto por la administración de antagonistas NMDA inmediatamente después del entrenamiento, como por la administración de antagonistas AMPA en un momento posterior, una vez que haya pasado algún tiempo desde el entrenamiento. Así, podríamos enunciar tres predicciones más: P.5: la administración de antagonistas NMDA después del entrenamiento debería producir un deterioro en el aprendizaje; P.6: la administración de antagonistas AMPA después del entrenamiento debería producir un deterioro en el aprendizaje; P.7: la sensibilidad a los antagonistas NMDA tras el aprendizaje debería producirse previamente a la sensibilidad a los antagonistas AMPA.
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Por último, podemos hacer una última predicción fuera ya de esta analogía. Vimos en el capítulo III que la PLP es un fenómeno de plasticidad sináptica muy relacionado con el hipocampo, la estructura cerebral más relacionada con los procesos responsables de aprendizaje y memoria. Así, una importante hipótesis que se viene barajando desde el descubrimiento de la PLP es que ésta puede ser un mecanismo de plasticidad sináptica por el cual el hipocampo esté implicado en estos procesos. Teniendo en cuenta que la PLP es dependiente de los receptores NMDA podemos enunciar una última predicción: P.8: el aprendizaje de tareas sensibles a lesiones hipocampales debería quedar también deteriorado por la administración de antagonistas NMDA, en tanto que las tareas insensibles a las lesiones hipocampales no deberían quedar alteradas por antagonistas NMDA. Los experimentos sobre el efecto de fármacos antagonistas de receptores NMDA sobre el aprendizaje y la memoria han estudiado típicamente el efecto de estos fármacos administrados previamente al entrenamiento o previamente a la prueba de recuerdo de una tarea ya aprendida (experimentos concernientes a las predicciones P.1 y P.2); en otras palabras, se ha estudiado el efecto sobre la adquisición y la recuperación. El número de experimentos que han utilizado antagonistas AMPA para estudiar su efecto sobre el aprendizaje y la memoria es mucho menor, ya que sólo recientemente han comenzado a sintetizarse antagonistas AMPA suficientemente específicos. Aunque en el presente trabajo no estamos interesados concretamente en estos experimentos, muchos de ellos se han llevado a cabo en el marco de trabajos que estudian los efectos de antagonistas NMDA, por lo que en el transcurso del análisis que vamos a hacer sobre estos trabajos, esporádicamente se irá haciendo referencia a resultados sobre el efecto de antagonistas AMPA sobre el aprendizaje y la memoria (predicciones P.3 y P.4). En todo caso, dado que casi la totalidad de experimentos que se exponen tratan sobre los efectos de antagonistas NMDA sobre la adquisición (P.1), cuando en el texto se haga referencia a experimentos que traten sobre las predicciones P.2, P.3 ó P.4 se hará constar explícitamente. En el segundo apartado de este capítulo se expondrán los estudios sobre adquisición y recuperación (P.1, P.2, P.3 y P.4). Asimismo, en el transcurso de la exposición de estos estudios se irán comparando las deficiencias en aprendizaje derivadas de la administración de antagonistas NMDA y las derivadas de las lesiones del hipocampo, o de sus eferencias a través del fórnix (P.8).
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Son muchos menos los trabajos que han estudiado el efecto sobre la consolidación, ya sea con antagonistas NMDA o con antagonistas AMPA. Estos trabajos se revisarán en el tercer apartado del capítulo (predicciones P.5, P.6 y P.7). Conviene también en este momento situar respecto a estas predicciones los experimentos que conforman este trabajo, y que veremos en los próximos capítulos. El objetivo de nuestros cuatro experimentos es estudiar los efectos de la ketamina, antagonista NMDA, sobre la adquisición y la recuperación del condicionamiento clásico (P.1 y P.2). Asimismo, se estudian estos efectos tanto sobre tareas sensibles como insensibles a las lesiones hipocampales, con objeto de estudiar la similitud de efectos entre lesiones hipocampales y administración de ketamina (P.8).
2. Efectos sobre la adquisición y la recuperación Como criterio para organizar este apartado utilizamos el tipo de tarea sobre la que se estudia el efecto del fármaco, en detrimento de criterios alternativos utilizados frecuentemente en psicofarmacología, como el tipo de fármaco empleado. Creemos que así se arroja más luz sobre los resultados, en la consideración de que estos estudios están encuadrados en una estrategia que tiene como objetivo dilucidar la implicación de la PLP en fenómenos de aprendizaje y memoria. Para este objetivo, el fármaco es tan sólo un medio para bloquear el receptor NMDA, en tanto que el análisis de las demandas de las tareas que fueran afectadas de diferente forma por antagonistas NMDA serviría para concretar el déficit que estaría produciendo el fármaco. Además, dado que la PLP está típicamente asociada al hipocampo, resulta relevante distinguir entre las diferentes tareas en función de la sensibilidad que éstas presenten a las lesiones del hipocampo (P.8). Así, para las diferentes tareas se expondrá la dependencia que tengan respecto del hipocampo o de otras estructuras cerebrales ricas en receptores NMDA, particularmente cuando esta información resulte relevante para analizar los resultados. Los fármacos utilizados con más frecuencia han sido AP5 (antagonista competitivo), MK-801 y ketamina (antagonistas no competitivos). También se han utilizado como antagonistas competitivos AP7, CPP, CPPene, CGS 19755, CGP 37849 y NPC 12626; y como antagonistas no competitivos PCP, dextromethorphan, allylnormetazocine, memantina y amantadina. Las tareas sobre las que se han estudiado estos fármacos son muy diversas, aunque las hemos clasificado en varios grupos que, aunque no completamente homogéneos, ofrecen cierta coherencia entre la gran diversidad de experimentos. Esta clasificación está compuesta por: 1) tareas de aprendizaje espacial; 2) tareas que implican la memoria 374
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de trabajo no espacial; 3) condicionamiento de sabores y olores; 4) condicionamiento del miedo y evitación; 5) formas de aprendizaje típicas de especie; 6) condicionamiento de la membrana nictitante del conejo; y, 7) formas de condicionamiento con procedimientos que requieren múltiples ensayos. Por último, estudiaremos los efectos sobre la adquisición de fámacos antagonistas de receptores NMDA en interacción con fármacos que actúan sobre otros sistemas de neurotransmisión.
2.1. Efectos sobre tareas de aprendizaje espacial Una de las teorías clásicas sobre la función del hipocampo es que éste opera a modo de mapa cognitivo (O’Keefe y Nadel, 1978, 1979). Según esta teoría, el hipocampo juega un papel crítico en el aprendizaje y la memoria espacial. Con seguridad, ésta es la razón por la que la mayor parte de estudios sobre el efecto de antagonistas NMDA se han centrado en tareas de memoria espacial. Además, desde el punto de vista neurobiológico, su específica sensiblidad a diferentes fármacos y lesiones la hacen empíricamente diferenciable de otros tipos de memoria. Aun así, la memoria espacial no es un fenómeno único. Suele establecerse una división entre memoria de referencia (MR) y memoria de trabajo (MT) (Olton, Becker y Handelmann, 1979; Olton y Papas, 1979). La MR contiene información general, constante, aplicable a múltiples situaciones. Cualquier tarea tiene componentes de MR. La MT contiene información sobre eventos próximos en el tiempo, que son necesarios para solucionar un problema. Una vez solucionado, se olvida la información. Los procedimientos más comúnmente empleados en el estudio de la memoria espacial han sido el laberinto radial y el laberinto de agua. El laberinto de agua implica, en su versión más común, a la MR. El laberinto radial permite distinguir entre ambos tipos de memoria e ilustra operacionalmente la diferencia entre ambas. En el laberinto radial se trabaja habitualmente tanto con una versión de MR como con otra de MT.
2.1.1. Efectos sobre el laberinto de agua En el laberinto de agua, las ratas tienen que nadar en un recipiente circular lleno de un líquido opaco hasta encontrar una plataforma oculta, ligeramente sumergida en el líquido, partiendo al comienzo de cada ensayo de una posición diferente del borde del recipiente circular. Al no existir referencias intra-laberinto,
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las ratas aprenden la localización de la plataforma merced a claves extra-laberinto. Esta tarea implica a la memoria de referencia (MR). Como tarea control suele utilizarse bien llegar a una plataforma visible, situada sobre la superficie, bien una tarea de discriminación visual entre dos plataformas visualmente diferenciables, siendo una firme y hundiéndose la otra con el peso del animal. La tarea espacial se ha mostrado sensible a la extirpación del hipocampo, pero la de discriminación visual no; O’Keefe y Nadel, 1978). La comparación entre la tarea de discriminación visual y la tarea espacial puede ser utilizada en los estudios psicofarmacológicos para excluir la posibilidad de que el efecto en la tarea espacial se deba a efectos inespecíficos del fármaco sobre la ejecución (C.2). Si éste fuera el caso, deberían verse deterioradas tanto la versión espacial como la de discriminación visual. Adicionalmente, un patrón de resultados similar en ambas tareas para las lesiones hipocampales y el efecto de antagonistas NMDA estaría sugiriendo que ambas manipulaciones producirían sus efectos a partir de un mismo mecanismo (P.8), que podría ser la PLP. Aunque es menos común, también es posible estudiar la MT en el laberinto de agua (Morris, 1983). En esta versión del laberinto, en una primera fase, y con objeto de familiarizarse con la tarea, las ratas aprenden a localizar una plataforma en una posición fija (MR). Durante la fase relevante, la posición de la plataforma cambia, de forma que la rata tiene que encontrar la nueva posición. Una vez que llega a la plataforma, la rata es retenida fuera del laberinto durante un periodo de tiempo, y transcurrido ese tiempo el animal tiene que alcanzar de nuevo la plataforma, situada en el mismo lugar, partiendo de un punto diferente. En esta segunda fase, se realizan múltiples ensayos cambiando la posición de la plataforma. Esta tarea implica tanto a la MR como a la MT. El trabajo quizás más representativo y clásico de todos los que se han hecho con antagonistas NMDA con el fin de estudiar el papel de estos receptores tanto en el aprendizaje como en la PLP es el realizado por Morris, Anderson, Lynch y Baudry (1986) empleando el laberinto de agua. En un elegante estudio, Morris y colaboradores mostraron que la administración crónica de AP5 intraventricularmente interrumpía la normal adquisición del aprendizaje espacial en el laberinto, aunque dejaba inalterada una tarea de discriminación visual en el mismo laberinto, mostrando así que el deterioro en la adquisición no era producido por un deterioro sensoriomotor producido por el fármaco. En el experimento se utilizaron D-AP5, un antagonista NMDA y su isómero L-AP5, que no comparte estas propiedades antagonistas (ver capítulo II). El isómero no efectivo como antagonista NMDA no produjo efecto alguno sobre la adquisición, mostrándose así 374
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que el efecto que D-AP5 tenía sobre la adquisición era debido a sus propiedades antagonistas NMDA y no a efectos colaterales del fármaco (C.2). Asimismo, mostraron que a las dosis usadas en el experimento D-AP5 bloqueó la inducción de PLP en el giro dentado, lo que no hicieron L-AP5 ni otros tratamientos control. El patrón de resultados encontrados -interferencia con la tarea de aprendizaje espacial, pero no con la de discriminación visual- es, como hemos visto, similar al obtenido mediante la extirpación del hipocampo (P.8). Esto sugirió a los autores que el AP5 podía estar produciendo sus efectos mediante el bloqueo de la PLP en el hipocampo. En resultados complementarios, comprobaron que a las dosis en que era bloqueada la adquisición, también quedaba bloqueada la inducción de PLP in vivo (Davis, Butcher y Morris, 1992; Morris, 1989c; Morris, Anderson, Lynch y Baudry, 1986). Una manera de comprobar si el deterioro que la droga produce sobre el aprendizaje y sobre la PLP están relacionados es comparar las respuestas de diferentes dosis sobre ambos procesos. Funciones de respuesta a la dosis similares para el aprendizaje y para la PLP indicarían que la droga afecta a ambos procesos a través del mismo mecanismo. Así, apoyando la interpretación de que el efecto del AP5 sobre el aprendizaje era debido a su acción sobre la PLP, encontraron que el detrimento en el aprendizaje era dependiente de la dosis de AP5 administrada, estando este detrimento correlacionado con el bloqueo de PLP en el hipocampo. Aún más interesante es el hecho de que no se encontrara ninguna dosis capaz de deteriorar la inducción de PLP sin perjudicar la adquisición del aprendizaje (Butcher, Davis y Morris, 1990; Davis, Butcher y Morris, 1992). Además, para apoyar la interpretación de que el efecto que el AP5 produce sobre el aprendizaje es debido al bloqueo de la PLP en el hipocampo, Morris y su equipo comprobaron que la administración directa de AP5 en el hipocampo también interfiere con la adquisición de la tarea del laberinto (Morris, Halliwell y Bowery, 1989) (P.8). Asimismo, también han mostrado que el efecto del AP5 se produce sólo cuando se administra antes del entrenamiento, y que administrado antes de la prueba no afecta a la ejecución (Morris, 1989c). Este último resultado, además de ser una prueba adicional de que el detrimento en el aprendizaje que produce el fármaco no puede ser explicado por efectos sensoriomotores inespecíficos del fármaco, muestra que el AP5 actúa impidiendo la adquisición de la tarea espacial, pero no la recuperación de la misma si previamente ha sido aprendida (P.2). Más recientemente, Morris y colaboradores han concretado el déficit producido por el AP5 sobre el aprendizaje en el laberinto de agua. El entrenamiento en un laberinto de agua diferente sin la administración de AP5 previamente al entrenamiento bajo los efectos del fármaco previno el déficit característico
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producido por el AP5 (Bannerman et al., 1995). Además, la prevención del déficit se produjo sólo cuando la tarea previamente entrenada era espacial. Estos experimentos muestran que, si bien los receptores NMDA están implicados en algún aspecto del aprendizaje espacial, no intervienen en la representación de un contexto específico. Su función podría tener que ver con alguna habilidad más general propia del aprendizaje espacial, de tal manera que si esta habilidad se entrena previamente, el AP5 deja de producir efectos sobre la tarea espacial. Otro de los trabajos que han generado una gran cantidad de investigación tras de sí, en parte por su polémico título, es el de Robinson, Crooks, Shinkman y Gallagher (1989) utilizando MK-801, quienes titularon su artículo “Los efectos conductuales del MK-801 imitan las deficiencias asociadas a lesiones hipocampales” (P.8)29. En varios experimentos utilizando el laberinto de agua mostraron que el aprendizaje espacial queda deteriorado si antes de cada sesión diaria de entrenamiento se inyecta a los sujetos MK-801. De nuevo, un resultado complementario hallado por estos investigadores es que la administración del fármaco antes de la prueba no produjo ningún efecto sobre la capacidad del animal para llegar a la plataforma (P.2). Aunque quizás sean estos los dos trabajos más renombrados en relación al efecto de antagonistas NMDA sobre el laberinto de agua, hay bastantes más trabajos que han llegado a conclusiones similares. Heale y Harley (1990), utilizando MK-801 y AP5, y Mondadori et al. (1989), utilizando MK-801 y AP7, inyectados de forma aguda antes de cada sesión, llegan a la misma conclusión: los antagonistas NMDA afectan a la adquisición cuando son administrados antes del entrenamiento, pero no alteran la recuperación de lo ya aprendido cuando se administran antes de la prueba (P.2). Como vimos en el capítulo II, la administración de antagonistas NMDA suele ir acompañada de efectos sensoriales o locomotores, lo que complica la interpretación de los resultados. Así, el control de estos efectos es importante. McLamb et al. (1990) estudiaron el efecto de MK-801 sobre el laberinto de agua a dosis a las que el fármaco no presenta efectos sensoriomotores, obteniendo, al igual que los estudios descritos, un deterioro en la adquisición. Asimismo, el MK-801 administrado crónicamente a ratas recién nacidas también produce un detrimento en la adquisición del laberinto de agua, aunque, al igual que los resultados expuestos del grupo de Morris, no tuvo efectos en la tarea de discriminación visual, indicando
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Concretamente, Robinson, Crooks, Shikman y Gallagher (1989) mostraron que formas de aprendizaje que dependen de un hipocampo intacto (laberinto de agua y la potenciación de la aversión a un olor por un sabor) quedaron deterioradas por el MK-801, en tanto que formas de aprendizaje parecidas, pero que no requieren de la integridad del hipocampo no quedaron alteradas por la administración del fármaco. 374
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de nuevo ausencia de efectos sensoriomotores (Gorter y De Bruin, 1992). También se ha encontrado un detrimento de la ejecución en el laberinto utilizando ratones y CPP como antagonista competitivo NMDA (Upchurch y Wehner, 1990). Estos investigadores realizaron dos protocolos de entrenamiento. En el primero, los ratones recibieron cuatro ensayos consecutivos antes de ser devueltos a la jaula-dormitorio. En el segundo, los animales fueron devueltos después de cada uno de los cuatro ensayos a la jaula-dormitorio. En ambas condiciones el aprendizaje espacial se vio afectado, siendo el deterioro mayor cuando los cuatro ensayos se dieron de forma consecutiva. Whishaw y Auer (1989) encontraron, al igual que McLamb et al. (1990), un efecto perjudicial sobre el aprendizaje a dosis inferiores a las que el fármaco produce alteraciones conductuales inespecíficas, esta vez sobre una versión modificada del laberinto de agua (Whishaw, 1985). En esta versión, la localización de la plataforma cambia día a día, con lo que, según los autores, se estaría produciendo un aprendizaje de conceptos. Emplearon MK-801 y hallaron que a dosis a las que el fármaco no producía otros efectos inespecíficos se producía un bloqueo del aprendizaje. Asimismo, en un laberinto de agua diferente, aunque en una tarea que también implica la MR, Kant, Wrigth, Robinson y D’Angelo (1991) estudiaron la implicación de dos isómeros del MK-801, sólo uno de ellos efectivo como antagonista de receptores NMDA. El isómero efectivo como antagonista NMDA bloqueó la adquisición, dejándola inalterada el otro. Nuevamente, no se encontraron efectos cuando el fármaco se administró antes de una prueba de recuperación (P.2). En varios experimentos utilizando ketamina se ha obtenido también un deterioro del aprendizaje sobre el laberinto de agua (Alessandri, Battig y Welzl, 1989; Lalonde y Joyal, 1991; Wesierska, Macias-González y Bures, 1990). Lalonde y Joyal (1991) encontraron efectos tanto en la versión clásica del laberinto de agua como en la versión de Whishaw. No obstante, hallaron que el aprendizaje en la versión de Whishaw quedaba deteriorado con una dosis menor que la necesaria para impedir el aprendizaje de la versión clásica. Así, a mayor dificultad en la tarea, menor dosis de ketamina resultó necesaria para impedir su aprendizaje. Adicionalmente, a las dosis a las que el aprendizaje de una u otra versión del laberinto quedó impedido, una vez que la plataforma se hizo visible no se produjo deterioro del mismo. Como resultado complementario de interés, encontraron que tras la administración de LGDE (dietil ester ácido l-glutámico), antagonista de receptores AMPA, no se encontró ningún efecto sobre ninguna de las tareas que se habían visto afectadas por la administración de ketamina (P.3). Interesa destacar el
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efecto amnésico selectivo que Lalonde y Joyal encuentran para los receptores NMDA, en detrimento de antagonistas de otros receptores del glutamato. Wesierska et al. (1990) estudiaron también el efecto sobre la recuperación (P.2), encontrando que la recuperación sólo quedaba deteriorado por dosis del fármaco mayores de las que deterioraban la adquisición, por lo que no puede descartarse que el efecto sobre la recuperación sea debido a efectos sensoriomotores inespecíficos del fármaco que no se producen, sin embargo, a las dosis a las que el aprendizaje es afectado. Asimismo, utilizaron la versión descrita del laberinto para estudiar el efecto de la ketamina sobre la MT, encontrando que la MT quedaba afectada por dosis de ketamina menores a las que producían deterioro en la versión de MR. Como síntesis de estos resultados, en los experimentos expuestos se observa un consistente deterioro del aprendizaje espacial tras la administración de antagonistas NMDA (P.1), ya sea con antagonistas competitivos o no competitivos, o ya sea con administración intraventricular, intraperitoneal o directamente en el hipocampo. Al tiempo, no se han encontrado efectos ni sobre la discriminación de dos plataformas visibles (C.2, P.8), ni efectos fiables sobre la recuperación de lo aprendido (P.2), ni cuando se utilizan otros fármacos, ya sean isómeros del antagonista NMDA que no comparten sus propiedades antagonistas, ya sean antagonistas de otros receptores del glutamato, como los antagonistas AMPA (P.3). No obstante el conjunto de experimentos expuestos, que muestran un efecto perjudicial sobre el aprendizaje, hay también algunos que muestran un resultado contrario. Cuando se administró AP5 directamente en la amigdala previamente al entrenamiento en el laberinto de agua, ni el aprendizaje ni la recuperación (P.2) quedaron afectados (Liang, Hon y Davis, 1994, experimento 7). Respecto a este resultado contrario es importante hacer notar que el aprendizaje espacial no es dependiente de la amígdala, por lo que este resultado es el que habría que esperar desde la hipótesis de que el AP5 actúa en estos experimentos bloqueando la PLP en el hipocampo (P.8). Lógicamente, su administración local en la amígdala no tiene efectos sobre los receptores NMDA en el hipocampo. En ninguno de los múltiples experimentos hasta aquí citados en relación al laberinto de agua, y este hecho es muy importante dentro de la estrategia que identificamos al comenzo del capítulo, se observaron deficiencias en la tarea de llegar a la plataforma cuando ésta estaba visible, indicando que el menoscabo en la ejecución no se debía a factores sensoriomotores, sino a un déficit de aprendizaje. Sin embargo, recientemente se está poniendo en duda las conclusiones de estos trabajos. En realidad, Keith y Rudy (1990) ya plantearon serias dudas sobre que el déficit observado en el laberinto de agua no se debiera a un deterioro motor (C.2). 374
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Más recientemente, un equipo ha publicado varios trabajos concluyendo que los déficits observados en el laberinto de agua por antagonistas NMDA pueden explicarse por las perturbaciones conductuales producidas por los fármacos. Sus resultados han sido obtenidos con varios fármacos antagonistas NMDA, lo que aporta mayor robustez a sus conclusiones. Utilizando tanto AP5 (Cain, Saucier, Hall, Hargreaves et al., 1996) como NPC 17742 (Cain, Saucier y Boon, 1997; Saucier y Cain, 1995; Saucier, Hargreaves, Boon, Vanderwolf et al., 1996) y CGS 19755 (Cain et al., 1997), han encontrado trastornos sensoriomotores que correlacionaban tanto con un déficit en la versión espacial como en la versión con la plataforma visible. Exactamente el mismo patrón de resultados encontraron con un antagonista muscarínico30, la escopolamina (Saucier et al., 1996). Sin embargo, en todos los casos, cuando se familiarizó a los sujetos con las destrezas conductuales requeridas para la tarea mediante un entrenamiento no espacial, el efecto del fármaco sobre el aprendizaje desapareció. Como hemos expuesto, Keith y Rudy (1990) fueron los primeros en alertar sobre la contribución de los efectos sensoriomotores en los resultados obtenidos con antagonistas NMDA sobre el laberinto de agua. Más recientemente, Keith y Galizio (1997) han publicado un trabajo en el que desarrollan un nuevo procedimiento en el que, a partir de la utilización del laberinto de agua, puedan distinguirse los efectos de un fármaco sobre la adquisición de sus efectos sobre la ejecución. El procedimiento consiste, simplemente, en que la adquisición se realiza a partir de varios ensayos en una misma sesión, y en la siguiente sesión se cambia la localización de la plataforma oculta. Así, en la segunda sesión podría estudiarse al mismo tiempo la adquisición (de la nueva posición de la plataforma) y la ejecución o recuperación (de la posición que tenía el día anterior). Consistente con la posición de Keith y Rudy (1990), los resultados de Keith y Galizio (1997) muestran que el MK-801 produce deterioro en el aprendizaje sólo a dosis que también deterioran la ejecución. Sostienen, pues, que los efectos de antagonistas NMDA sobre la adquisición que diversos estudios encuentran son, simplemente, efectos sobre la ejecución (C.2). No obstante, una importante diferencia entre el procedimiento desarrollado por Keith y Rudy y el procedimiento convencional del laberinto de agua es que en la versión de Keith y Rudy la adquisición se realiza siempre dentro de la misma sesión. Así, es posible que la implicación de los receptors NMDA, y de la PLP, sobre la adquisición, se produzca sólo en procedimientos que requieran memorias de mayor duración. Consistente con esta idea son los resultados de algunos experimentos que veremos en el siguiente apartado que muestran ausencia 30
Los receptores muscarínicos son el tipo de receptores colinérgicos más común en el SNC.
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de efectos sobre la adquisición intra-sesión, pero un detrimento en la adquisición entre-sesiones (Handelmann, Contreras y O’Donohue, 1987; Kesner, Dakis y Bolland, 1993) y de experimentos que muestran que antagonistas NMDA bloquean el condicionamiento al miedo cuando la prueba se realiza 24 horas después, pero no cuando se realiza inmediatamente tras el condicionamiento (Kim, DeCola, LandeiraFernández y Fanselow, 1991). Adicionalmente, esta idea es avalada por múltiples experimentos que muestran efectos de antagonistas NMDA sobre la consolidación y que veremos al final del capítulo. Con todo, como se deduce de este conjunto de experimentos recientes, la posibilidad de que los resultados obtenidos en el laberinto de agua puedan explicarse por los efectos sensoriomotores colaterales de los fármacos, más que por su bloqueo de la PLP, no puede descartarse (C.2).
2.1.2. Efectos sobre laberintos radiales, laberintos en T y otras formas de aprendizaje espacial Otro conjunto de trabajos tienen como principal protagonista el laberinto radial. Como ya hemos dicho, este laberinto permite el estudio de tareas que implican a la memoria de referencia (MR) y tareas que implican a la memoria de trabajo (MT) (Olton, Becker y Handelmann, 1979; Olton y Papas, 1979). El laberinto consta de ocho brazos y, dependiendo del tipo de tarea, bien los ocho contienen alguna bolita de comida, bien sólo cuatro de ellos contienen comida. En la tarea 8/8 (MT) los animales aprenden a entrar a cada brazo una sola vez en cada ensayo de forma que con ocho entradas finalizan la tarea. Esta es una prueba de MT. En la tarea 4/8 (MR y MT) siempre son los mismos cuatro brazos los que están reforzados, de forma que el animal puede aprender a discriminarlos del resto. Un animal bien entrenado finalizaría la tarea con cuatro entradas. Entrar en un brazo que nunca ha sido reforzado es computado como un error de MR. Entrar por segunda vez en alguno de los brazos reforzados supone un error de MT. Las lesiones del hipocampo producen deficiencias en la MR si se producen antes del entrenamiento, pero no antes de la prueba. En cambio, la MT queda perjudicada tanto si la lesión se produce antes del entrenamiento como antes de la prueba. Respecto a la caracterización de ambas tareas decir, por último, que si se introducen en el laberinto claves no espaciales que permiten la discriminación entre brazos a partir de claves intralaberinto la tarea deja de ser sensible a la lesión del hipocampo (Jarrard, 1986).
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Diversos estudios muestran que la administración de antagonistas NMDA impide el aprendizaje del laberinto radial en la versión de MT (Alessandri, Battig y Welzl, 1989, con ketamina; Butelman, 1989, 1990 y Wozniak et al., 1990, con MK-801; Danysz, Wroblewski y Costa, 1988, con AP5 y PCP; Kawabe, Ichitani e Iwasaki, 1998, con AP5; o Kesner, Hardy y Novak, 1983, con PCP). El mismo resultado sobre la MT se encontró utilizando la alternancia en un laberinto en T, tanto con MK-801 (Maurice et al., 1994; Wozniak et al., 1990) como con CPPene (Parada, Czuczwar y Turski, 1992) y NPC 12626 (Walker y Gold, 1991a). Además, en el trabajo de Parada y colaboradores no se encontró ningún efecto amnésico cuando se administró antes del entrenamiento NBQX, un antagonista de receptores AMPA (P.3). Una conclusión similar respecto a la implicación de los receptores NMDA y receptores AMPA puede establecerse a partir de un trabajo en el que se estudia el efecto de la administración conjunta de escopolamina, antagonista muscarínico, con antagonistas NMDA (MK-801 y CGS 19755) o antagonistas AMPA (YM90K) sobre la versión de MT del laberinto radial. Sólo los antagonistas NMDA aumentaron los déficits producidos por la escopolamina. Estos resultados son interpretados por los autores como una implicación de los receptores NMDA, pero no de los AMPA, en el aprendizaje de tareas espaciales (P.3) mediante su interacción con el sistema colinérgico (Li, Matsumoto, Tohda, Yamamoto et al., 1996). Más adelante, en relación con tareas de MT no espaciales, veremos otros estudios que relacionan la escopolamina, y el sistema colinérgico en general, con los receptores NMDA. Aunque los experimentos citados hasta el momento muestran un efecto de antagonistas NMDA sobre la versión de MT en el laberinto radial, también hay resultados que matizan la implicación de los antagonistas NMDA en laberintos que implican a la MT. Bolhuis y Reid (1992) no encontraron un número mayor de errores en la ejecución en ratas a las que se les administró crónicamente AP5 en relación a las controles. No obstante, cuando se interrumpió el ensayo dejando una demora antes de su reanudación los sujetos bajo la influencia del fármaco mostraron una peor ejecución que los controles. Por tanto, aunque en la tarea convencional de MT no se encontraron diferencias, cuando la tarea requirió una demanda mayor de la MT del sujeto, volvió a observarse un deterioro de la ejecución en los animales tratados con AP5. Asimismo, Tonkiss y Rawlins (1991), utilizando un laberinto en T, encontraron que el AP5, pero no el MK-801, produjo un detrimento de la MT. Asimismo, en otro experimento, sólo se encontró un detrimento en la MT con la dosis mayor de MK-801, dosis a la que se observaban claras alteraciones conductuales (White y Best, 1998).
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Son menos los experimentos realizados sobre la versión 4/8 del laberinto radial. En algunos de estos experimentos se han estudiado los efectos de antagonistas NMDA sobre la MT, y sobre la recuperación de la MR, pero no sobre la adquisición de la MR (Lyford y Jarrard, 1991, con CPP; Ward, Mason y Abraham, 1990, con MK-801 y CPP). Respecto a la MT, la tarea se vio perjudicada en ambos experimentos con ambos fármacos. En lo que respecta a la MR, como acabamos de decir, se estudió el efecto sobre la ejecución de la tarea previamente aprendida, y no sobre la adquisición. En contra de lo obtenido en el resto de resultados expuestos, y de lo que podría esperarse por la implicación de los receptores NMDA en la inducción de PLP y no en su expresión, estos experimentos mostraron un deterioro de la recuperación (P.2). No obstante, a nuestro juicio surge un serio problema de interpretación con estos resultados. El problema es que en estos experimentos los efectos sensoriomotores inespecíficos del fármaco deben ser controlados con particular atención (C.2), dado que lo que estos resultados realmente muestran en su conjunto es que en todas las condiciones en que se administró el fármaco se produjo deterioro de la ejecución (tarea de MT y recuperación en la tarea de MR previamente aprendida), en contraste con la única condición en que el fármaco no se administró (adquisición de la tarea de MR). Esta correlación perfecta entre administración del fármaco y deterioro de la ejecución no se produce, sin embargo, en los experimentos que muestran en tareas de MR una adquisición deteriorada tras la administración del fármaco, y posteriormente ausencia de efectos sobre la recuperación también con la administración del fármaco. Con este último patrón de resultados, es difícil atribuir los resultados sobre la adquisición a un problema de ejecución producido por efectos sensoriomotores del fármaco, dado que el fármaco sigue estando presente en la prueba, en la que no se observan estos efectos. Sin embargo, con el primer patrón de resultados, que es el caso de los experimentos de Lyford y Jarrard y de Ward y colaboradores esta interpretación no puede excluirse. Los resultados más claros sobre la implicación de la MR y la MT en laberintos radiales vienen a partir de una completa serie de experimentos realizados por Shapiro y colaboradores. En consonancia con la mayoría de experimentos expuestos, hallaron que la administración de MK-801 producía un deterioro tanto en la versión MT del laberinto radial como en la versión MR cuando el fármaco era administrado antes de la sesión de entrenamiento, pero no antes de la prueba, lo que indica un efecto del fármaco sobre la adquisición, pero no sobre la recuperación (P.2) (Shapiro y Caramanos, 1990). Estos resultados, a diferencia de los descritos previamente de Lyford y Jarrard (1991) y Ward et al. (1990), permiten excluir una 374
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explicación de los resultados en términos de efecto del fármaco sobre la ejecución, como hemos expuesto más arriba (C.2). Sin embargo, en experimentos posteriores encontraron que el MK-801 sólo producía un detrimento en MT si la prueba se efectuaba en un contexto nuevo para el sujeto (Caramanos y Shapiro, 1994; Shapiro y O’Connor, 1992). La explicación dada por estos investigadores es que la sinapsis NMDA podría ser necesaria para establecer una memoria espacial del entorno (MR), y sólo indirectamente necesaria en una tarea de MT. Así, las deficiencias encontradas por Shapiro y Caramanos (1990) en MT podrían deberse a la dificultad de los sujetos para establecer una representación del contexto31. De hecho, las deficiencias en MT dejaron de producirse cuando los sujetos fueron sometidos a un entrenamiento intensivo en el contexto antes de la tarea de MT (Caramanos y Shapiro, 1994). En general, los experimentos expuestos con el laberinto de agua sobre la MR y con el laberinto radial tanto sobre la MR como sobre la MT muestran un claro efecto de los antagonistas NMDA sobre la MR, y un efecto inconsistente sobre la MT. De hecho, los resultados de Shapiro y Caramanos muestran que los efectos sobre la MT son sólo aparentes, y que en realidad son consecuencia de una incapacidad para establecer una representación espacial del entorno (MR). En esta línea se sitúan también los resultados de Lalonde y Joyal (1993) con ketamina, que obtienen efectos sobre una tarea espacial dependiente de la MR y ausencia de efectos sobre una tarea dependiente de MT. La tarea dependiente de MR consistía en localizar bolitas de comida dispuestas de forma que siempre ocuparan la misma posición en una matriz de 4x4 agujeros. La tarea de MT era la alternancia en un laberinto en T. La ketamina impidió el aprendizaje de la tarea de los agujeros, pero no la alternancia en el laberinto en T, cuando se administró antes de cada sesión de entrenamiento, pero no cuando, con objeto de estudiar su efecto sobre la recuperación, fue
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Nótese que esto parece contradecir los resultados obtenidos con el laberinto de agua por Morris presentados más arriba (Bannerman et al., 1995). En aquel trabajo, Morris y colaboradores mostraron que el déficit del antagonista NMDA no tenía que ver con una representación concreta del contexto, en tanto que en estos trabajos Caramanos y Shapiro muestran que es precisamente una representación del contexto lo que es impedido por el fármaco. Una importante diferencia que puede explicar estos resultados es que la tarea empleada por Morris en el laberinto de agua es una tarea de MR, en tanto que la empleada por Caramanos y Shapiro sobre el laberinto radial es de MT. Asi, la única demanda que tendría la tarea de Caramanos y Shapiro de la MR espacial es, precisamente, la representación del contexto. En la medida en que la MT no fuera afectada por antagonistas NMDA, eliminando esta demanda (p. ej., preentrenando en el contexto) desaparecería el déficit producido por el fármaco, al convertirse en una tarea no dependiente de la MR. Esto es lo que ocurre. Sin embargo, la tarea empleada por Morris incorpora otras demandas, adicionales a la representación del contexto, relacionadas con la MR espacial. Es sobre estas habilidades necesarias para atender a estas demandas sobre las que parecen resultar críticos los antagonistas NMDA. Así, ambos resultados resultan compatibles bajo el supuesto de que los receptores NMDA sean críticos en la MR espacial, pero no en la MT espacial.
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administrada antes de la prueba (P.2). De nuevo, el LGDE, antagonista de receptores AMPA, no afectó al aprendizaje de ninguna de estas tareas (P.3). ¿A qué podría obedecer esta diferente sensibilidad de MT y MR a antagonistas NMDA que apuntan los resultados? Una importante diferencia entre ambos tipos de memoria es que la MT es de corta duración y la MR de larga duración. Podría, por tanto, ocurrir que los antagonistas NMDA sólo intervinieran en memorias espaciales de larga duración. En esta línea argumental se pueden situar los resultados de otros experimentos, realizados tanto con PCP como con MK-801. En uno de los primeros estudios que evaluaron el efecto de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje, Handelmann, Contreras y O’Donohue (1987) mostraron que aunque el PCP no afectó al aprendizaje de las ratas entrenadas a elegir uno de los brazos de un laberinto en T durante el entrenamiento, los sujetos no mostraron signos de haber aprendido al día siguiente, a diferencia de los sujetos del grupo control. Un resultado similar se ha obtenido utilizando un laberinto con agujeros llenos de queso (Kesner, Dakis y Bolland, 1993). Se producía adquisición intra-sesión, pero no hubo signo de adquisición entre-sesiones. Los autores concluyen un bloqueo específico de la MLP, que no afecta a la MCP . También se ha encontrado que el efecto amnésico del MK-801, tanto en una tarea de laberinto radial como en una de habituación, se observa entre sesiones, aunque no a lo largo de una sesión (Carey, Dai y Gui, 1998; White y Best, 1998). En el laberinto radial se ha encontrado que el efecto del MK-801 sobre la adquisición desaparece cuando la adquisición se mide en una misma sesión . El estudio es similar a los expuestos con el laberinto radial, midéndose tanto los errores de MT como los errores de MR. La diferencia es que cada día la comida se situaba en un brazo diferente, midiéndose la adquisición de MR entre los diez ensayos del mismo día en que la comida se situaba en el mismo brazo. A diferencia de los experimentos que estudian la adquisición entre sesiones realizadas en días diferentes, el MK-801 no produjo efecto alguno sobre la MR. De nuevo, los autores concluyen que los receptores NMDA juegan un papel en la MLP, pero no en la MCP (White y Best, 1998). Por último, en una tarea de habituación a un nuevo contexto utilizando un procedimiento de campo abierto se ha encontrado que a dosis en las que el MK-801 no afectaba la habituación a lo largo de la sesión ni producía efectos hiperlocomotores, sí producía un severo déficit cuando la habituación era medida en la siguiente sesión. En experimentos posteriores comprobaron que el detrimento en la ejecución no se debía a un efecto de aprendizaje dependiente de estado (Carey et al., 1998). Nótese que este conjunto de resultados son consistentes con la
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implicación de los receptores NMDA en la MR, y no en la MT, como sugieren los experimentos expuestos de Shapiro y colaboradores y los de Lalonde y Joyal. Volviendo sobre las predicciones que formulamos en la introducción, una a la que ya hemos hecho amplia referencia en el apartado anterior es que los antagonistas NMDA deberían imitar los efectos producidos por lesiones hipocampales (P.8). Como ya hemos visto, esta predicción se deriva de la presunción de que los antagonistas NMDA estarían bloqueando la PLP en el hipocampo. Así, vimos en el apartado anterior que en el laberinto de agua es muy común comparar el aprendizaje del laberinto con claves espaciales y con claves visuales, siendo el resultado general un deterioro específico de la tarea con claves espaciales. Esta diferenciación es fundamental si se postula que el mecanismo por el que el antagonista NMDA perjudica el aprendizaje es el bloqueo de la PLP en el hipocampo, pues sólo la versión del laberinto con claves espaciales es sensible a la lesión del hipocampo. Pues bien, en el trabajo citado de Lyford y Jarrard (1991) con laberintos radiales, los autores encontraron, además del mencionado efecto de antagonistas NMDA sobre la recuperación, el mismo efecto sobre una versión del laberinto con claves no espaciales, concluyendo, por tanto, que existía inespecificidad de los efectos del CPP sobre tareas sensibles a lesiones hipocampales. No obstante, hemos visto que en el trabajo de Lyford y Jarrard, el entrenamiento se producía sin fármaco y la prueba con él, por lo que los resultados podrían estar indicando un simple efecto inespecífico del fármaco sobre la ejecución (C.2). Sin embargo, más recientemente ha vuelto a informarse de inespecificidad de efectos de antagonistas NMDA sobre tareas de aprendizaje espacial, esta vez en un estudio que no adolece de las mismas deficiencias (Murray, Ridley, Snape y Cross, 1995). Murray y colaboradores estudiaron el efecto del MK-801 sobre un laberinto en T utilizando una versión con claves espaciales extra-laberinto y otra con claves visuales intra-laberinto, y estudiaron tanto la adquisición de la discriminación como la posterior inversión de la misma. Obtuvieron un efecto sobre la adquisición sólo en la tarea con claves visuales y sobre la inversión con ambos tipos de tareas. Sin duda, esta diferencia es difícilmente compatible con una explicación en términos de detrimento sensoriomotor producido por el fármaco (C.2). Los autores explican la diferencia que supone la ausencia de efectos durante la adquisición de la tarea espacial y los efectos sobre la tarea visual por una mayor dificultad de la última, quedando esta interpretación avalada por la ejecución en ambas tareas de las ratas control. Asimismo, explican la ejecución perjudicada en la inversión de la discriminación de la tarea espacial por una mayor dificultad de esta tarea.
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Concluyen, por tanto, que existe inespecificidad de efectos del MK-801 sobre el aprendizaje de discriminación en el laberinto en T, perjudicando el aprendizaje tanto con claves visuales como espaciales (P.8), y estando el deterioro en función de la dificultad de la tarea. En un trabajo posterior, Murray y Ridley (1997) han estudiado el efecto de la administración de MK-801 sobre una versión condicional del laberinto en T, tanto con claves espaciales como visuales (la clave condicional siendo siempre visual). En este tipo de tareas, los brazos del laberinto, que pueden ser distinguidos visualmente o espacialmente, según la condición, no tienen un significado constante, variando en función de la clave condicional. Esto hace que la tarea presente demandas típicamente asociadas a la MT. Consecuentemente, el aprendizaje de este tipo de tareas se ve claramente perjudicado por la lesión del hipocampo, tanto con claves espaciales como visuales (Ridley y Baker, 1997). En el experimento de Murray y Ridley, el MK-801, al igual que las lesiones del hipocampo, bloqueó el aprendizaje de la tarea en ambas versiones (P.8). El detrimento obtenido con claves espaciales contrasta con el obtenido por los mismos autores en la versión no condicional. Así, los trabajos de Murray y Ridley abundan en la diferente sensibilidad de tareas espaciales dependientes de MT y de MR a antagonistas NMDA. Recientemente, otro trabajo ha mostrado diferencias entre los efectos producidos por lesiones hipocampales y por antagonistas NMDA utilizando una tarea de preferencia de claves condicionadas (Stevens, Shapiro y White, 1997). En esta tarea, en una primera fase, ratas privadas de comida son confinadas en días alternativos en dos brazos de un laberinto, conteniendo comida sólo uno de ellos. Tras varias sesiones, en una sesión de prueba, las ratas muestran preferencia por el brazo que contenía comida en la fase anterior. Esta forma de aprendizaje es críticamente dependiente de la amígdala, tanto en su adquisición, como en la posterior expresión (McDonald y White, 1995). Sin embargo, no se ha mostrado dependiente del hipocampo, cuya lesión incluso facilita el aprendizaje (McDonald y White, 1993). Asimismo, un fenómeno característico que se observa en esta forma de aprendizaje es que la preexposición al laberinto retrasa la posterior adquisición de la preferencia. Este fenómeno, similar a la inhibición latente, sí se ha mostrado dependiente de la integridad del hipocampo (McDonald y White, 1995). Pues bien, Stevens y colaboradores han puesto a prueba el efecto que el MK-801 puede tener sobre estos fenómenos, unos dependientes y otros independientes del hipocampo, con objeto de estudiar las semejanzas entre efectos de antagonistas NMDA y de lesiones hipocampales (P.8). Como era esperable según P.8, la administración de MK-801 antes del preentrenamiento suprimió los efectos de la preexposición, 374
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facilitando el aprendizaje posterior con respecto a un grupo preexpuesto y no tratado con el fármaco. Sin embargo, en grupos sin preexposición, el MK-801 produjo un detrimento en la ejecución tanto administrado antes del entrenamiento como antes de la prueba de recuperación (P.2), mostrando en este caso los mismos efectos que la lesión de la amígadala, pero no que la lesión del hipocampo (P.8). Dado que también en la amígdala se produce PLP, estos resultados apuntarían a que el MK801 produjo un detrimento en las tres tareas (efecto de preexposición al laberinto, adquisición, y recuperación de la PCC) mediante el bloqueo de los antagonistas NMDA, y consecuentemente la PLP, en el hipocampo y la amígdala. El hecho de que la PLP también se produzca en la amígdala, así como que el método de administración del fármaco fuera intraperitoneal, distribuyéndose inespecíficamente por el cerebro, hace plausible esta explicación, que no apoyaría un paralelismo entre efecto de antagonistas NMDA y de lesiones hipocampales (P.8). No obstante todo esto, los resultados obtenidos por Stevens y colaboradores presentan un serio problema. En todos los casos (efecto de preexposición, adquisición y recuperación), el efecto del MK-801 puede explicarse por un efecto de aprendizaje dependiente de estado. Cuando se administra el fámaco antes de la preexposición, existe un cambio de estado interno entre la fase de preexposición y la de posterior entrenamiento. Asimismo, un cambio similar se produce entre las fases de entrenamiento y prueba tanto en el grupo que muestra un déficit en la adquisición (entrenado con el fármaco y evaluado sin él), como en el grupo que muestra un déficit en la recuperación (entrenado sin el fármaco y evaluado con él). Este problema hace difícil concluir nada de estos resultados. Este hecho llama la atención, de nuevo, sobre la necesidad de controlar la contribución del aprendizaje dependiente de estado, y de los factores sensoriomotores en general, en los estudios farmacológicos sobre el aprendizaje (C.2). Los experimentos sobre el efecto de antagonistas NMDA sobre tareas de aprendizaje espacial han usado habitualmente ratas y ratones como sujetos, y estos son los hasta aquí citados. Ocasionalmente se ha trabajado con otros animales. Los resultados son similares a los expuestos con roedores, como se expone a continuación. Tambén se ha estudiado el efecto del MK-801 sobre el aprendizaje de un laberinto en tortugas (Avigan y Powers, 1995). Dado que se sabe que la corteza dorsal de las tortugas es rica en receptores NMDA y dado que se ha encontrado la existencia de PLP en esa zona (Larson-Prior y Slater, 1988), la corteza dorsal de las tortugas parece ser la más equiparable al hipocampo de los mamíferos. Los autores compararon el efecto de la administración previa al entrenamiento (40 sesiones) de
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MK-801 con el de lesiones de la corteza dorsal en un laberinto en X (P.8). Ambos grupos mostraron un detrimento similar en su capacidad de aprendizaje, quedando éste claramente deteriorado en relación a los grupos de control. Además, un experimento adicional mostró que el déficit producido por MK-801 no se debía a un efecto sobre la actividad general (C.2). Este resultado replica con una especie bien diferente la generalidad de estudios descritos con roedores que relacionan el efecto de antagonistas NMDA sobre determinadas tareas de aprendizaje con los efectos que la lesión del hipocampo tiene sobre las mismas. Por último en lo que respecta al aprendizaje espacial, algunos trabajos han estudiado el efecto de antagonistas NMDA en palomas. Riters y Bingman (1994) estudiaron palomas mensajeras en una tarea ecológica, en la que no se utilizaron ninguno de los laberintos mencionados previamente. En esta tarea, en un primer ensayo se suelta a las palomas en un punto desconocido, regresando éstas al punto de origen con dificultad. Posteriormente, en un segundo ensayo, las palomas mejoran notablemente su orientación cuando son soltadas desde el mismo punto. Sin embargo, cuando se administró a las palomas MK-801 durante la primera sesión, no mejoraron su orientación en la segunda sesión, si bien en la primera mostraron un comportamiento similar a las del grupo control. Experimentos posteriores mostraron que este resultado no se debió a un aprendizaje dependiente de estado ni a déficits sensoriomotores (C.2), mostrándose, por tanto, un efecto perjudicial del MK-801 sobre el aprendizaje de la orientación espacial en palomas. Sin embargo, no obtuvieron efectos sobre una discriminación operante posición color. También con palomas, otro experimento muestra una curiosa diferencia entre los efectos del MK-801 en palomas mensajeras y no-mensajeras. Meehan (1996) mostró, utilizando una tarea de MR en un laberinto radial, que la misma dosis de MK-801 que impidió la adquisición en palomas convencionales, no afectó al aprendizaje en palomas mensajeras. Coherentemente con este resultado, diversos datos apuntan a que la concentración de receptores NMDA en la vía perforada hipocampal en las palomas mensajeras es mayor que en las no-mensajeras, como consecuencia de la selección artificial realizada por los criadores (Shapiro y Wieraszko, 1996). La mayor concentración de receptores NMDA en las palomas mensajeras produciría un menor efecto relativo del antagonista MK-801 (Meehan, 1996).
2.1.3. Conclusiones Se pueden extraer algunas conclusiones del conjunto de trabajos expuestos sobre memoria espacial. En primer lugar, los antagonistas NMDA afectan al 374
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aprendizaje espacial, no alterando el aprendizaje basado en claves visuales explícitas, y coincidiendo en esto con los efectos de las lesiones hipocampales (P.8). Así se muestra en la mayoría de los resultados obtenidos con tareas espaciales y visuales en el laberinto de agua. No obstante, algunos trabajos recientes del grupo de Cain y Saucier ponen seriamente en cuestión estas conclusiones, llamando la atención sobre que los déficits obtenidos en el laberinto de agua podrían ser debidos a alteraciones motoras, más que a un déficit en la resolución de la tarea espacial producido por el bloqueo de la PLP. Por tanto, la contribución de los factores sensoriomotores a los déficits observados en el laberinto de agua es, en la actualidad, objeto de controversia (C.2). En un reciente examen, Cain (1998) concluye, a partir de la evidencia existente, que los receptores NMDA no son necesarios en la formación de memorias espaciales aunque, en condiciones normales, intervienen en su formación. En segundo lugar, la diferencia sustancial entre estos resultados y el obtenido en el experimento de Murray et al. (1995) con el laberinto en T, en el que se encuentra un efecto del antagonista NMDA sobre la discriminación visual, pero no espacial, es también relevante. En primer lugar, la diferencia entre la falta de efecto sobre la tarea de discriminación espacial podría tener su origen en la menor demanda que el laberinto en T usado por Murray y colaboradores tiene de una representación espacial para resolver la tarea. Por ejemplo, los animales podrían aprender fácilmente a girar en un sentido para llegar a la comida. Una estrategia similar sería mucho más difícil de aplicar en el laberinto radial, o en uno de agua. En segundo lugar, Murray y colaboradores encuentran sólo efectos del fármaco en la tarea más difícil según la ejecución de los animales control: la discriminación visual. Sean cuáles sean las razones de esta mayor dificultad, el estudio revela que la complejidad de la tarea puede ser una variable crítica para obtener efectos sobre el aprendizaje de antagonistas NMDA. Más adelante veremos otros estudios que inciden en este punto. En tercer lugar, los antagonistas NMDA deterioran la MR si se administran antes del entrenamiento (P.1), pero no antes de la prueba (P.2), coincidiendo también en esto con los efectos de las lesiones hipocampales (P.8). Este deterioro por parte de los antagonistas NMDA de la adquisición, y no de la recuperación, es, como ya hemos expuesto, consistente con la implicación de la PLP en este tipo de aprendizaje, mediado por el hipocampo, dado que los antagonistas NMDA bloquean la iniciación de PLP, pero no su posterior expresión. La excepción a estos resultados son los experimentos de Lyford y Jarrard (1991), Ward et al. (1990), y Stevens et al. (1997). No obstante, hemos visto que en estos experimentos no puede descartarse
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que el efecto sea debido a un deterioro inespecífico sobre la ejecución, o a un efecto de aprendizaje dependiente de estado más que a un efecto sobre la recuperación (C.2). Cuarto, en relación a la MT, los datos resultan menos claros, obteniéndose en varios trabajos un deterioro sobre la misma y en otros ausencia de efectos. El problema es que, como señalan Danysz, Zajaczkowski y Parsons (1995), en tareas espaciales de MT es difícil separar los efectos amnésicos de efectos sobre la ejecución, a diferencia de tareas de MR, en las que entrenamiento y prueba se realizan en momentos diferentes. Así, es posible que los efectos encontrados en algunos experimentos sean producidos por efectos sensoriomotores del fármaco (C.2). En esta línea se sitúan varios experimentos en los que se observa un efecto amnésico entre-sesiones, pero o intra-sesión, apuntando a que antagonistas NMDA impiden formas de memoria a largo plazo, sin alterar memorias a corto plazo (Carey et al., 1998; Handelmann et al., 1987; Kesner et al., 1993; White y Best, 1998). Dado que la MT es una forma de memoria de corta duración, resultaría razonable que quedara inalterada por antagonistas NMDA. De hecho, las diferencias de efecto de antagonistas NMDA sobre la MT parecen depender de variaciones procedimentales. La más clara de éstas es la familiaridad del contexto. Shapiro y colaboradores han mostrado que los efectos de antagonistas NMDA sobre MT desaparecen cuando el contexto es familiar, sugiriendo que es el aprendizaje de la representación espacial del contexto (MR) lo que interfiere el fármaco, y no la MT en sí misma. Por último, y muy importante, el patrón de resultados expuestos no parece depender del tipo de fármaco antagonista NMDA que se haya utilizado, pero sí de que el fármaco antagonice específicamente estos receptores. Isómeros no efectivos como antagonistas NMDA o antagonistas de receptores AMPA no producen deterioro de la adquisición (P.3). Dado que los diversos fármacos antagonistas NMDA actúan sobre el receptor de manera diferente (competitiva o no competitivamente), y tienen efectos colaterales también distintos, la homogeneidad de efectos encontrados sólo puede explicarse por aquello que tienen en común: su capacidad para antagonizar el receptor NMDA (C.2).
2.2. Efectos sobre la memoria de trabajo en tareas no espaciales La otra teoría clásica sobre el papel del hipocampo postula que el hipocampo es el sustrato físico responsable de la MT (Olton et al., 1979). Así, hemos visto que 374
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el objetivo de la mayor parte de estudios que empleaban antagonistas NMDA en el laberinto radial se centraba en la MT. Hay otros trabajos que han estudiado el efecto de antagonistas NMDA en la MT empleando tareas no espaciales. Empleando una tarea de igualación a la muestra con demora, tarea que depende de la MT, se ha comprobado que la administración de AP5, al igual que las lesiones hipocampales, deterioran el aprendizaje de la tarea (Lyford, Gutnikov, Clark y Rawlins, 1993). El mismo resultado se ha obtenido con los antagonistas MK-801 y CPP (Cole, Klewer, Jones y Stephens, 1993). Sin embargo, en este trabajo los autores encontraron efectos diferentes para el MK-801 (antagonista no competitivo) y el CPP (antagonista competitivo). Concretamente, hallaron que el CPP perjudicó la tarea sólo cuando se dejó una demora antes de la prueba, en tanto que el MK-801 produjo efectos incluso sin demora. No parece, sin embargo, ser ésta la norma, sino más bien la similitud de efectos entre antagonistas competitivos y no competitivos, tanto en esta tarea como en otras. Así lo muestran varios experimentos que vemos a continuación, que encuentran similitud en los efectos de antagonistas competitivos y no competitivos. Utilizando una tarea de igualación a la muestra con presión de palanca se ha estudiado el efecto de varios antagonistas NMDA sobre varias demoras (Clissold et al., 1992; Pontecorvo, Clissold, White y Ferkany, 1991). Estos investigadores utilizan esta tarea para estudiar los efectos de un gran número de fármacos. De sus resultados, resulta de relevancia para nosotros la comparación entre los efectos producidos por antagonistas NMDA y los producidos por escopolamina, conocida la importancia del sistema colinérgico en la memoria temporal (ver p. ej., Meck y Church, 1987). Por un lado, dado que tanto antagonistas NMDA como antagonistas muscarínicos son agentes amnésicos cabría esperar un deterioro en la resolución de la tarea producido por ambos tipos de fármacos. Por otro lado, dado que es esperable que los diversos antagonistas NMDA actúen a partir de un mismo mecanismo, distinto al mecanismo por el que actuaría la escopolamina, cabría esperar un patrón de resultados similar entre los diferentes antagonistas NMDA y distinto al de la escopolamina. Los resultados muestran que todos los antagonistas NMDA produjeron un mismo patrón de resultados, diferente al obtenido por la escopolamina. Los antagonistas NMDA redujeron la probabilidad de que se obtuviera una respuesta correcta con las diferentes demoras utilizadas, en tanto que la escopolamina alteró la ejecución sólo cuando se utilizaron demoras largas. Más aún, los antagonistas NMDA produjeron varias alteraciones sobre la respuesta que no produjo la escopolamina, como disminuir la probabilidad de respuesta durante el
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ensayo y aumentar la probabilidad de respuesta entre ensayos (Pontecorvo et al., 1991). Un deterioro en el aprendizaje, aunque con un patrón de actuación diferente para antagonistas NMDA y muscarínicos, ha sido también encontrado en monos rhesus en una tarea parecida, utilizando una sola condición de demora (Ogura y Aigner, 1993). En este estudio, la escopolamina aumentó la latencia de respuesta, en tanto que el MK-801 aumentó la tendencia a responder, sugiriendo que ambos fármacos actuaban afectando a procesos diferentes. En un estudio posterior, uno de los autores encontró un resultado adicional interesante, coherente con la interpretación de que el sistema NMDA y colinérgico producen un deterioro en la memoria afectando a procesos diferentes. Administrados conjuntamente un antagonista NMDA (MK-801) y muscarínico (escopolamina), el efecto perjudicial que se obtuvo sobre una tarea de reconocimiento visual fue mayor que la adición de los efectos de uno y otro fármaco (Matsouka y Aigner, 1996). Por último, un patrón de errores diferente producidos por MK-801 y escopolamina ha sido también obtenido en una tarea consistente en aprender a presionar por orden tres palancas (Cohn, Ziriax, Cox y Cory-Slechta, 1992). La escopolamina tendía a producir saltos en la secuencia, en tanto que el MK-801 producía perseveración en algún elemento de la misma. Este conjunto de resultados nos parece particularmente sugerente, pues apunta a una disociación en los efectos sobre la memoria de dos agentes amnésicos como son los antagonistas NMDA y las drogas anticolinérgicas, sugiriendo el diferente patrón de errores que ambos fármacos actúan sobre sistemas o mecanismos de aprendizaje diferentes. Asimismo, el hecho de que los antagonistas NMDA actúen perjudicando el aprendizaje a las diferentes demoras y los antagonistas muscarínicos sólo a demoras largas sugiere que los receptores NMDA podrían jugar un papel como un mecanismo universal de aprendizaje, y los receptores muscarínicos como mecanismos de aprendizaje especializados en memoria temporal. No obstante, también aquí hay, al menos, un resultado en contra. Robinson y Crawley (1993) no encontraron diferencias utilizando ketamina y MK-801 como antagonistas NMDA, y escopolamina como antagonista colinérgico, al estudiar sus efectos sobre el aprendizaje de una tarea de no igualación a la muestra con demora. Los tres fármacos entorpecieron de una forma similar el aprendizaje a las diferentes demoras empleadas. Empleando otro tipo de tareas también se ha encontrado un efecto nocivo sobre la MT. Así ha ocurrido, por ejemplo, en tareas de discriminación condicional con demora, utilizando como fármacos tanto MK-801 (Berz, Battig y Welzl, 1992; 374
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Tan, Kirk, Abraham y McNaughton, 1990) como CPP (Tan et al., 1990) y CGS 19755 (Berz et al., 1992). Tan y colaboradores comprobaron, adicionalmente, que a ninguna de las dosis en que ambos fármacos (MK-801 y CPP) entorpecían la adquisición de la tarea, producían efectos sobre la rapidez del olvido. En el reforzamiento diferencial de tasas bajas (DRL) ha de pasar un tiempo mínimo entre dos respuestas del sujeto para que la última sea reforzada. Así, esta tarea presenta también demandas típicas de MT. Se ha encontrado que, tanto el AP5 administrado crónicamente (Tonkiss, Morris y Rawlins, 1989) como el MK-801 administrado antes de cada sesión (Welzl, Berz y Battig, 1991), impiden la correcta ejecución en animales previamente entrenados. Welzl et al. (1991) comprobaron también que si se señalaba con una luz el momento a partir del cual el reforzador estaba disponible, liberando así la memoria de trabajo del sujeto y haciendo la tarea no dependiente de ella, la ejecución mejoraba ostensiblemente. El conjunto de resultados expuestos sobre MT en tareas no espaciales muestra consistentemente una ejecución perjudicada como consecuencia de la administración de antagonistas NMDA. ¿A qué podría deberse la diferencia entre los resultados consistentes obtenidos en tareas de MT no espaciales y la inconsistencia observada en tareas de MT espaciales? Una explicación podría ser que, aparte del contenido espacial que obviamente diferencia a ambas tareas, la mayor parte de las tareas de MT que hemos visto en este apartado requieren que el animal retenga su respuesta durante un tiempo (igualación a la muestra con demora, discriminación condicional con demora, DRL). Dado que los antagonistas NMDA destacan por sus efectos hiperlocomotores (ver capítulo II), el detrimento en la ejecución en este tipo de tareas podría venir motivado por la mayor tendencia general a responder bajo el efecto de la droga, más que por un efecto sobre el aprendizaje. Por otro lado, ya expusimos que las tareas de MT, en las que entrenamiento y prueba coinciden dentro de la misma fase, son altamente problemáticas para distinguir los efectos sobre el aprendizaje de los efectos sobre la ejecución. Así, la explicación apuntada a los efectos de antagonistas NMDA sobre la MT en base a efectos hiperlocomotores constituye un ejemplo de la dificultad para distinguir un tipo de efecto de otro. Aunque de los experimentos expuestos no se puede concluir que sea el efecto hiperlocomotor del fármaco el que explique el detrimento en la ejecución, lo cierto es que ni esta explicación ni otras que hicieran referencia a otros efectos inespecíficos del fármaco sobre la ejecución pueden ser descartadas (C.2). Coherentemente con esta línea argumental, un reciente trabajo cuestiona la naturaleza de los efectos amnésicos de diferentes fármacos sobre la MT, advirtiendo sobre la posibilidad de que los resultados se deban a efectos
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conductuales no mnemónicos (Robinson, 1997). Con todo, no parece que las tareas de MT, incluyendo las espaciales, sean las más aconsejables para estudiar el efecto sobre el aprendizaje de antagonistas NMDA.
2.3. Efectos sobre el condicionamiento de sabores y olores Hemos agrupado bajo este epígrafe experimentos que tienen en común el estudio del condicionamiento usando como estímulos sabores, olores o ambos. No obstante, conviene señalar que, a pesar de su aparente similitud, el condicionamiento de sabores y olores muestran sustanciales diferencias respecto al sustrato biológico que implican. Robinson et al. (1989) complementan el estudio citado en el apartado anterior con un experimento en el que estudian el bloqueo de la potenciación por un sabor de la aversión a un olor. En este tipo de procedimiento existen tres condiciones: emparejamiento de un sabor con ClLi (que induce malestar gástrico), emparejamiento de un olor con ClLi y emparejamiento de sabor y olor con ClLi. En la prueba se presenta a los tres grupos tanto el sabor como el olor. De esta manera se puede estudiar la aversión al sabor, la aversión al olor y el efecto de la presentación conjunta tanto sobre la aversión al sabor como sobre la aversión al olor. El efecto típico es la potenciación de la aversión al olor cuando se presenta junto al sabor. El aprendizaje de esta potenciación ha mostrado ser sensible tanto a la integridad del hipocampo (Bermúdez-Rattoni et al., 1987; Miller et al., 1986), como de la amígdala (Bermúdez-Rattoni, Grijalva, Kiefer y García, 1986; Hatfield, Graham y Gallagher, 1992). El resultado fundamental que encontraron Robinson et al. (1989) al administrar intraperitonealmente MK-801 antes del emparejamiento es un bloqueo de la potenciación. Este mismo resultado fue replicado por el mismo laboratorio con la administración intraventricular de AP5 (Willner, Gallagher, Graham y Crooks, 1992). Experimentos control llevados a cabo mostraron que ni la adquisición de la asociación olor-descarga (Robinson et al., 1989) ni de la asociación olor-ClLi (Willner et al., 1992) eran deteriorados por la administración del antagonista NMDA. Dado que estos aprendizajes son dependientes de la integridad del hipocampo (Bermúdez-Rattoni et al., 1987; Miller et al., 1986), Willner et al. (1992) concluyen que no parece que sea el hipocampo el lugar donde estarían actuando los receptores NMDA en el aprendizaje de la potenciación de la aversión al olor (P.8). En su lugar, Willner y colaboradores apuntan a la amígdala como el lugar más probable por el que el antagonista NMDA ejercería su efecto amnésico. De hecho, Hatfield y Gallagher (1995) han confirmado esta 374
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interpretación, informando recientemente de un bloqueo de la potenciación al olor cuando el antagonista AP5 fue administrado directamente en la amígdala. De nuevo, el aprendizaje simple de la aversión al olor no quedó afectado. Otro efecto encontrado en los experimentos citados de potenciación de la aversión al olor consistió en que la aversión en las ratas expuestas sólo al sabor no quedó disminuida cuando los sujetos fueron inyectados con la droga, o sea, que la administración de MK-801 o AP5 no afectó al condicionamiento de aversión al sabor. No obstante, no siendo éste su objetivo, la condición de aversión al sabor no está bien controlada en estos experimentos. En experimentos específicamente diseñados para ello, Welzl, Alessandri y Battig (1990) y Aguado et al. (1994) han estudiado la implicación de los receptores NMDA en el condicionamiento de aversión al sabor. Welzl y colaboradores comprobaron que la ketamina administrada antes de la exposición al sabor (EC) impidió la asociación entre el sabor y el malestar inducido por ClLi (EI). Sin embargo, cuando administraron el fármaco entre el sabor y el ClLi no afectó la adquisición de la aversión. Esto llevó a los autores a postular que la ketamina no actúa bloqueando directamente la asociación sabor-malestar, sino que lo hace impidiendo la formación de la huella de memoria del sabor. Adicionalmente, como en otros experimentos que ya hemos visto, los autores comprobaron que la administración de ketamina antes de la prueba no afectó la recuperación de la asociación ya aprendida (P.2). Más recientemente, Aguado et al. (1994) pusieron a prueba la explicación dada por Welzl et al. (1990). En primer lugar, replicaron el efecto básico obtenido por estos autores: que la administración de ketamina previamente a la exposición al sabor reducía significativamente la magnitud del condicionamiento, en tanto que la administración del fármaco antes de la prueba no produjo efectos (P.2). Posteriormente sometieron a prueba la explicación dada por Welzl y colaboradores de que la ketamina actúa impidiendo la formación de la huella de memoria del sabor. Para ello estudiaron el efecto de su administración sobre dos formas de aprendizaje en procedimientos que requieren la presentación repetida del sabor: habituación de la neofobia a un nuevo sabor e inhibición latente, siguiendo la lógica de que si la ketamina impide la formación de la huella del sabor, ambos tipos de aprendizaje deberían verse perjudicados. Sin embargo, ni la habituación de la neofobia ni la inhibición latente, una vez controlados los efectos de aprendizaje dependiente de estado, se mostraron perjudicados por la ketamina. Dado que estos resultados no son consistentes con la explicación dada por Welzl et al. de que se estaría impidiendo la huella del sabor, Aguado y colaboradores proponen que la ketamina estaría actuando no sobre la huella de memoria, sino reduciendo la
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saliencia del sabor, lo que lo haría más difícilmente condicionable (C.2). Para comprobar esto, en un último experimento utilizaron un procedimiento de aprendizaje de aversión con múltiples ensayos. En un procedimento de este tipo, incluso con estímulos de menor saliencia debería producirse condicionamiento, aunque más lento. Esto fue justamente lo que obtuvieron. Tras el primer ensayo, el grupo inyectado con ketamina antes del sabor mostró peor condicionamiento que el grupo control, desapareciendo las diferencias por completo en los ensayos siguientes. Aunque este resultado es coherente con la hipótesis de una menor saliencia del sabor en los animales inyectados con ketamina, los autores señalan que tampoco puede descartarse una explicación en términos de un efecto de la ketamina sobre los mecanismos fisiológicos del aprendizaje y la memoria. Un condicionamiento más lento podría también estar indicando un bloqueo parcial de los receptores NMDA y de la PLP. Para acabar con el condicionamiento de aversión al sabor, reflejar que, a diferencia de los efectos obtenidos por Welzl y colaboradores y por Aguado y colaboradores con 25 mg/kg de ketamina, cuando se utilizó una dosis de 6 mg/kg de ketamina, lejana a la que se ha mostrado efectiva para bloquear la PLP (30 mg/kg de ketamina, ver capítulo II), no se obtuvieron efectos algunos sobre el condicionamiento de aversión al sabor (Oberling, Di Scala y Sandner, 1996). Por último, se ha estudiado el efecto de antagonistas NMDA sobre el condicionamiento a olores. Staubli, Thibault, Dilorenzo y Lynch (1989) estudiaron el efecto de AP5 en una tarea de discriminación de olores. Esta tarea es sensible a la sección de conexiones monosinápticas entre la corteza olfatoria y el hipocampo en el periodo de adquisición, pero no durante una prueba de recuperación (Staubli, Fraser, Kessler y Lynch, 1986; Staubli, Ivy y Lynch, 1984). En relación al efecto de antagonistas NMDA, Staubli et al. (1989) encontraron que la administración de AP5 enlenteció la adquisición en la tarea de discriminación de olores. En cambio, cuando se disminuyó el intervalo entre ensayos o se utilizaron olores más fuertes, no observaron diferencias entre grupos (aquí también podría aplicarse la explicación de Aguado et al. (1994) de reducción del aprendizaje por disminución en la saliencia del estímulo a condicionar (C.2). Al utilizar olores más fuertes, se aumenta su saliencia y desaparecen las diferencias). De nuevo, una vez aprendida la tarea, no se observaron diferencias de ejecución en la prueba de recuperación (P.2). En un segundo experimento de su estudio, entrenaron a los sujetos en una tarea de evitación activa, no sensible a la denervación del hipocampo (Van Hoesen, Wilson, MacDougall y Mitchell, 1972), en la que no encontraron que el AP5 perjudicara el aprendizaje. Es importante remarcar que las dosis de AP5 utilizadas en los 374
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experimentos de Staubli se corresponden con dosis que bloquean la PLP in vivo. Concluyen, por tanto, que existe un efecto del AP5 selectivo sobre tareas sensibles a la extirpación del hipocampo (P.8), siendo el presumible mecanismo de actuación el bloqueo de la PLP. Más recientemente, se ha encontrado en ratas recién nacidas que el aprendizaje de la asociación de un olor con una estimulación táctil agradable es también perjudicada por la administración de MK-801 administrado inmediatamente antes de los ensayos de condicionamiento (Weldon et al., 1997). Algunas conclusiones pueden extraerse del conjunto de resultados descritos en este apartado. En primer lugar, el aprendizaje de la potenciación de la aversión a un olor por un sabor, que se ha mostrado tanto dependiente del hipocampo como de la amígdala, es bloqueado por la admininistración de antagonistas de receptores NMDA, siendo el lugar más probable sobre el que parece estar actuando el fármaco la amígdala, dado que las asociaciones control olor-descarga y olor-ClLi, que requieren un hipocampo intacto, no fueron afectadas por antagonistas NMDA (P.8). En segundo lugar, en una tarea de discriminación de olores, sensible a la denervación de conexiones entre la corteza olfatoria y el hipocampo, la administración de antagonistas NMDA también entorpeció el aprendizaje (P.8). Tercero, respecto al condicionamiento de aversión al sabor, en el cual no parece estar implicado el hipocampo, no está claro el papel que los antagonistas NMDA pueden desempeñar (P.8). Si bien su administración previamente a la administración del sabor perjudica consistentemente el aprendizaje, los resultados de Aguado y colaboradores sugieren una explicación a partir de efectos sensoriales del fármaco (C.2). Por último, y esto en los tres tipos de aprendizaje, cuando se administró el fármaco antes de la prueba no se produjeron efectos sobre la recuperación (P.2).
2.4. Efectos sobre el condicionamiento del miedo y de evitación Fanselow y su equipo han desarrollado en los últimos años un interesante trabajo utilizando un paradigma: el condicionamiento del miedo al contexto, y un fármaco antagonista de receptores NMDA: AP5. En este procedimiento, las ratas son sometidas a varias descargas eléctricas durante el entrenamiento, y en la prueba (usualmente al día siguiente) se evalúa su inmovilidad en el contexto del entrenamiento como índice del miedo. Kim, DeCola, Landeira-Fernández y Fanselow (1991) hallaron que la administración intraventricular de AP5 antes del entrenamiento bloqueaba la adquisición del miedo, pero su administración antes de
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la prueba no producía efecto alguno (P.2). Un resultado interesante encontrado por estos investigadores es que el deterioro sobre el aprendizaje sólo se producía si la prueba se realizaba tras 24 horas, pero no cuando era realizada inmediatamente después del condicionamiento. Con objeto de determinar más concretamente esta especificidad temporal, Kim, Fanselow, DeCola y Landeira-Fernández (1992) estudiaron el efecto del AP5 a diferentes intervalos temporales, determinando que el efecto amnésico del AP5 sólo se reflejaba si la prueba se realizaba pasados tres minutos de la última descarga. Como conclusión, sugieren que en el condicionamiento del miedo existen dos procesos de aprendizaje independientes implicados en memorias de corta (menos de tres minutos) y de larga duración, siendo el último proceso dependiente de la PLP y los receptores NMDA y el de corta duración de la potenciación postetánica (una forma de plasticidad sináptica de corta duración; ver capítulo III). Obsérvese que esta explicación es consistente con los experimentos estudiados en relación a tareas espaciales, en los que se observaba un efecto de antagonistas NMDA sobre la MLP, aunque no sobre la MCP ni sobre la MT, y experimentos que muestran un efecto de antagonistas NMDA sobre la adquisición entre-sesiones, pero no intra-sesión (Handelmann, Contreras y O’Donohue, 1987; Kesner, Dakis y Bolland, 1993). Con un paradigma algo diferente, en el que se estudia el condicionamiento del miedo a través de la respuesta de sobresalto en ratas ante claves discretas, Davis y su equipo han mostrado que la administración de AP5 directamente en la amígdala bloquea el aprendizaje de la asociación EC-EI tanto utilizando claves visuales como ECs (Miserendino, Sananes, Melia y Davis, 1990) como utilizando claves auditivas (Campeau, Miserendino y Davis, 1992). Este resultado es coherente con multitud de datos que muestran la implicación de la amígdala en el condicionamiento aversivo (ver Davis, 1992, para una revisión). Además, en ninguno de ambos estudios se observaron efectos del fármaco administrado antes de la prueba de recuperación (P.2). Por el contrario, la administración de CNQX en la amígdala, un antagonista de receptores AMPA, antes de la prueba de recuperación bloqueó la expresión del miedo (P.4). Por último, comprobaron que también la extinción de la respuesta de sobresalto quedaba bloqueada con la administración previa al entrenamiento en extinción de AP5 en la amígdala (Falls, Miserendino y Davis, 1992). Por tanto, tanto la adquisición como la extinción del condicionamiento del miedo, pero no la recuperación, mostraron ser dependientes de los receptores NMDA en la amígdala, en tanto que la recuperación parece depender de los receptores AMPA en la misma estructura (P.4). El hecho de que el AP5, administrado tras el condicionamiento, no disminuyera el condicionamiento del miedo al EC indica que: 1) el fármaco no 374
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produce un déficit perceptivo en relación al EC; y 2) el fármaco no produce una alteración motora que impida la respuesta de sobresalto (C.2). En un último trabajo recientemente publicado, Davis ha mostrado que el AP5 también bloquea el condicionamiento de segundo orden. Dado que en el condicionamiento de segundo orden, el reforzador es el EC de un condicionamiento anterior, y que el AP5 no bloquea la expresión del miedo al EC, este resultado indica que el AP5 actúa en el condicionamiento del miedo bloqueando la asociación entre el EC y el reforzador (Gewirtz y Davis, 1997). Continuando su serie de experimentos sobre condicionamiento del miedo, Fanselow y su equipo trataron de dar con el sustrato anatómico sobre el que el AP5 actúa (Fanselow y Kim, 1994; Fanselow, Kim, Yipp y De Oca, 1994; Young, Bohenek y Fanselow, 1994). Para ello, administraron AP5 de forma selectiva en el hipocampo y la amígdala, dado que: 1) son dos estructuras con una alta concentración de receptores NMDA; 2) diferentes datos sugieren que la amígdala es una estructura clave en el condicionamiento del miedo cuando se utilizan claves discretas como EC (Campeau et al., 1992; Miserendino et al., 1990); y 3) diferentes datos muestran que las lesiones del hipocampo perjudican el condicionamiento del miedo cuando se utiliza el contexto como EC (Kim y Fanselow, 1992; Phillips y LeDoux, 1992; Young, Bohenek y Fanselow, 1994). Interesaba, pues, conocer el papel de la amígdala en el condicionamiento con estímulos contextuales y el del hipocampo con estímulos discretos. Sus resultados son muy esclarecedores, indicando que el AP5 administrado directamente en el hipocampo bloquea el condicionamiento del miedo cuando el EC era el contexto, pero no cuando éste era un estímulo auditivo discreto (Fanselow et al., 1994), y que su administración en el núcleo basolateral de la amígdala bloqueó el condicionamiento tanto con claves contextuales como discretas (Fanselow y Kim, 1994). De estos resultados puede concluirse que los receptores NMDA -y presumiblemente la PLP- en la amígdala son críticos en el condicionamiento del miedo, ya sea con claves discretas o contextuales, y los receptores NMDA -y presumiblemente la PLP- en el hipocampo sólo son necesarios ante estímulos contextuales. De hecho, ante estímulos contextuales se obtienen los mismos efectos con la administración de AP5 en el hipocampo que con la lesión de esta estructura (P.8). Esta conclusión queda reforzada por el hecho de que la preeexposición al contexto previno el déficit causado por la lesión del hipocampo (Young et al., 1994). Por último, dado el papel que, a la luz de sus resultados, parecen tener los receptores NMDA en la amígdala, comprobaron que la administración de AP5 directamente en la amígdala también bloqueó la expresión del miedo previamente condicionado (P.2), a diferencia de la
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mayoría de estudios que estamos viendo (Maren, Aharonov, Stote y Fanselow, 1996). Antes de pasar a los resultados obtenidos con otras especies, es necesario indicar que, además de los efectos sobre la extinción obtenidos por Davis y su equipo expuesto más arriba, hay otro estudio que muestra un bloqueo de la extinción del condicionamiento del miedo, utilizando en este caso como antagonista NMDA el MK-801 (Baker y Azorlosa, 1996). Además, el experimento fue diseñado específicamente para excluir la posibilidad de que un efecto dependiente de dosis o una menor saliencia del EC pudiera explicar los resultados (C.2). En otras especies también se ha encontrado bloqueo del condicionamiento del miedo por antagonistas NMDA. Empleando ratones, Sanger y Joly (1991) encontraron bloqueo del condicionamiento utilizando los antagonistas no competitivos MK-801, PCP, dextromethorphan y allylnormetazocine y el antagonista competitivo CGS 19755. Finalmente, también con el pez de color se ha encontrado que la administración de un antagonista NMDA, en este caso MK-801, interrumpe la adquisición del condicionamiento de miedo ante una luz que indicaba la inminencia de una descarga eléctrica. Sin embargo, la recuperación no se vio afectada (P.2). Asimismo, los resultados no parecen poder explicarse por aprendizaje dependiente de estado (Xu y Davis, 1992). En un trabajo posterior se encontró que el efecto del MK-801 sobre la adquisición se ceñía a la primera parte del entrenamiento, de manera que si se administraba el fármaco tras 12 ensayos no se observaba el efecto perjudicial sobre el aprendizaje. Un hallazgo interesante en este experimento es que si el entrenamiento previo a la administración consistía en ensayos de pseudocondicionamiento, el fármaco volvía a producir un perjuicio del aprendizaje. Este resultado sugiere que los receptores NMDA están críticamente implicados en el aprendizaje de la asociación EC-EI, produciendo el bloqueo de los receptores efectos perjudiciales sobre el aprendizaje sólo cuando el entrenamiento incluye ensayos de condicionamiento (Xu, 1997). También se ha estudiado el efecto de antagonistas NMDA en el condicionamiento de evitación, encontrándose, en general, el mismo patrón de resultados observado con otras tareas: un deterioro de la adquisición, pero no de la recuperación (P.2). Así, empleando un procedimiento de evitación pasiva en ratas se ha encontrado que antagonistas NMDA impidieron el aprendizaje cuando se administraron antes del entrenamiento (Danysz et al., 1988, utilizando PCP y AP5; Gandolfi et al., 1994, utilizando ketamina, MK-801 y AP5; Venable y Kelly, 1990, 374
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utilizando CPP y MK-801). El mismo efecto se ha encontrado sobre ratones (Benvenga y Spaulding, 1988, utilizando MK-801 y PCP; Maurice et al., 1994, utilizando MK-801; Venable y Kelly, 1990, con CPP y MK-801; Walker y Gold, 1991a, utilizando NPC 12626). Recientemente, Misztal y Danysz (1995) han empleado un procedimiento de evitación a la oscuridad para evaluar el efecto de fármacos antagonistas NMDA en relación al de antagonistas AMPA. Emplearon cuatro fármacos antagonistas de receptores NMDA (MK-801, memantina, amantadina y CGP 37849) y un fármaco antagonista de receptores AMPA (NBQX). Encontraron de forma consistente un deterioro en el aprendizaje cuando administraron cualquiera de los fármacos antagonistas de receptores NMDA antes del entrenamiento, pero no cuando se administró el fármaco antagonista de receptores AMPA (P.3). En la misma línea se sitúan los resultados cuando el antagonista NMDA se administró directamente en la amígdala, observándose un déficit en la adquisición (Kim y McGaugh, 1992, empleando AP5, MK-801 y CPP; y Liang et al., 1994, empleando AP5). Los estudios de Kim y McGaugh (1992), Venable y Kelly (1990), Misztal y Danysz (1995), Liang et al. (1994) y Walker y Gold (1991a) estudiaron, además, el efecto sobre la recuperación, mostrando todos ellos ausencia de efecto cuando el fármaco se administró antes de la prueba (P.2). Un patrón de resultados similar ha sido también obtenido con evitación activa, encontrándose un perjuicio de la adquisición, pero no de la recuperación (P.2), como consecuencia de la administración de MK-801 (Delay, 1996). En un segundo experimento, Delay encontró que el MK-801 también impidió la transferencia de aprendizaje de una primera sesión, en la que el estímulo que señalaba la descarga era una luz, a una segunda sesión, en la que el estímulo señalizador era un sonido. Esta falta de transferencia se produjo tanto administrando el fármaco antes de la primera sesión como administrándolo antes de la segunda sesión. También en evitación hay resultados contradictorios. Como ya se ha señalado en el apartado anterior, Staubli y colaboradores (1989) no encontraron efectos ni sobre la adquisición ni sobre la recuperación empleando una tarea de evitación activa y administración crónica de AP5. Asimismo, Mondadori et al. (1989) encontraron deterioro del aprendizaje cuando la tarea de evitación pasiva fue pasoa-través (step-through), pero una mejora en el aprendizaje cuando la tarea fue de paso-abajo (step-down), tanto utilizando MK-801 como AP7 administrados antes del entrenamiento (más adelante, en “Efectos sobre la consolidación”, se analizan los resultados de Mondadori). Por último, en otro trabajo se han encontrado efectos tras la administración de MK-801 sólo a dosis del fármaco que produce serias alteraciones conductuales (Redolat, Carrasco y Simón, 1998).
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El trabajo ya citado de Liang et al. (1994) merece especial mención, pues aporta una elegante prueba de que el AP5 produjo su efecto actuando sobre el receptor NMDA y no mediante efectos colaterales (C.2). En el experimento 3 comprobaron que el efecto amnésico producido por el AP5 administrado antes del entrenamiento fue contrarrestado por la administración de NMDA32 justamente después del entrenamiento. En la misma línea, encontraron que la administración de NMLA, isómero de NMDA inefectivo como agonista sobre esos receptores, no produjo efecto alguno. Conjuntamente, estos resultados indican que es el efecto sobre al receptor NMDA lo que produce la neutralización del efecto del AP5 por parte del NMDA, y por tanto sugiere que el detrimento que el AP5 producía sobre el aprendizaje era debido a su capacidad para antagonizar el receptor, y no a efectos colaterales del fármaco (C.2). Sus resultados muestran, además, especificidad de los efectos del AP5 sobre la amígdala, donde encontraron un efecto dependiente de dosis, y un efecto menor sobre el hipocampo, aunque este último no reconocido por los autores33. Asimismo, encontraron ausencia total de efecto cuando el fármaco fue administrado en el estriado (Liang et al., experimento 1). No es fácil comparar los resultados obtenidos sobre el aprendizaje de evitación tras la administración de antagonistas NMDA con los obtenidos con lesiones hipocampales (P.8). Algunos estudios muestran que la ablación del hipocampo perjudica el aprendizaje de evitación (Liss, 1968; Olton y Isaacson, 1968). Sin embargo, también se han obtenido resultados contrarios (Van Hoesen, Wilson, MacDougall y Mitchell, 1972). Sin embargo, puede resultar interesante utilizar los datos, mucho más claros, que existen sobre la implicación del hipocampo en el condicionamiento del miedo, dado que ambos son formas de aprendizaje motivadas por el miedo. Así, en un análisis más detenido, y a la luz de los resultados expuestos con anterioridad que indican un papel crítico de la amígdala en el condicionamiento 32 Recordar que el NMDA es el agonista que da el nombre al subtipo de receptores del glutamato cuyos efectos sobre el aprendizaje y la memoria estamos estudiando. El NMLA es el isómero L de NMDA. Este isómero es inefectivo como agonista sobre el receptor NMDA. 33 Aunque Liang et al. (1994) concluyen ausencia de diferencias entre los grupos control y tratado con AP5 directamente en el hipocampo, pensamos que la interpretación que hacen de sus resultados es parcial. La mediana del grupo tratado con AP5 fue de 325 segs. en tanto que la del grupo control de 475 segs., lo que sugiere una diferencia entre ellos. El contraste realizado por los autores fue una U (Mann Whitney) bilateral, de la cual concluyen diferencias no significativas (p>0.05), siendo los tamaños de grupos n1=15 y n2=19 y el valor de U=92. Con esos datos, si bien es cierto que un contraste bilateral no muestra diferencias significativas, un contraste unilateral sí las arroja, y hay razones para presumir una direccionalidad en las diferencias encontradas sobre el aprendizaje entre un grupo tratado con AP5 y un grupo control que justifican un contraste unilateral. En segundo lugar, el grupo control hipocampal mostró un nivel de aprendizaje menor que los grupos controles utilizados con la administración en la amígdala y en el estriado (475 segs. el hipocampal y 600 segs. los otros dos grupos control). Seguramente, un grupo control para la administración de AP5 en el hipocampo que mostrara un nivel de aprendizaje similar a los otros dos grupos control llevaría a obtener diferencias significativas incluso con un contraste bilateral. 374
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del miedo con estímulos contextuales y discretos, y del hipocampo sólo con estímulos contextuales (Fanselow y Kim, 1994; Fanselow et al., 1994), conviene concretar que la tarea de evitación de Liang et al. (1994) conlleva la discriminación entre dos contextos: un contexto oscuro (seguro) y uno iluminado (con descarga). Así, el resultado de Liang et al. (1994) va en consonancia con los descritos más arriba obtenidos en el laboratorio de Fanselow y redunda en la implicación de la amígdala y el hipocampo, y en concreto los receptores NMDA -y presumiblemente la PLP- en ambas estructuras, como estructuras críticas en diferentes formas de condicionamiento motivado por el miedo ante claves contextuales (P.8). Esta interpretación queda apoyada por un último trabajo, que exponemos aquí en lugar de en el apartado Estudios sobre la consolidación por continuidad argumental, aunque el antagonista NMDA se administra inmediatamente después del entrenamiento, y no previamente al mismo. Empleando una tarea de evitación pasiva paso-abajo, Roesler y colaboradores (1998) encontraron que la administración intrahipocampal de AP5 perjudicó el aprendizaje. Sin embargo, la preexposición al aparato previamente al entrenamiento previno el déficit. Estos resultados sugieren que el AP5 administrado en el hipocampo podría ser crítico en el aprendizaje de la tarea de evitación pasiva sólo en tanto que impide la formación de la huella de memoria mnémica del contexto. Además de ser coherentes con los resultados de Liang y colaboradores (1994), recordemos que este resultado es similar al obtenido con el condicionamiento del miedo a un contexto, en el que la preexposición al contexto previamente al entrenamiento previno el déficit causado por la administración intrahipocampal de AP5 (Young et al., 1994). En conjunto, estos resultados sugieren que el déficit producido por la administración intrahipocampal de AP5 en tareas motivadas por el miedo es mediado por la necesidad de formación de una representación del contexto. A diferencia de esto, el déficit producido por la administración intraadmigdalar de AP5 es extensivo a situaciones en las que no se requiere la formación de la memoria del contexto, como se desprende de los resultados de Liang y colaboradores y del grupo de Fanselow.
2.5. Efectos sobre formas de aprendizaje típicas de especie Gran parte de los procedimientos de aprendizaje a los que hemos hecho referencia hasta el momento están basados en contingencias impuestas al animal en un laboratorio y lejanas a formas de aprendizaje que los animales muestran en situaciones naturales. Horn y McCabe, tras más de veinte años estudiando las bases biológicas de la impronta en pollos, han desembocado también en el estudio del
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papel de los receptores NMDA en el aprendizaje. Por otro lado, Fleming y su equipo han estudiado el efecto de algunos agentes presumiblemente amnésicos, entre ellos antagonistas NMDA, sobre algunas formas de aprendizaje pretendiendo un marco más ecológico. Asimismo, los Nordeen han estudiado el efecto de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje del canto en pájaros. Por último, hemos introducido en este apartado una forma de condicionamiento clásico en la que la medida de condicionamiento es el acercamiento al EC. Una forma de aprendizaje de conducta típica de especie, no obstante ampliamente estudiada en laboratorios, es la impronta en pollos (ver Horn, 1985, para una revisión). Esta forma de aprendizaje depende críticamente de la parte intermedia y media del hiperestriado medial (IMHV), tanto izquierdo como derecho, habiéndose encontrado un incremento en la síntesis de RNA en él como resultado del aprendizaje (Horn, McCabe y Bateson, 1979). No obstante, la implicación de ambos IMHV en el aprendizaje es distinta, sugiriéndose que el IMHV izquierdo funcionaría como un almacén a largo plazo, en tanto que el derecho haría un trabajo más dinámico, pasando la información de un estado de almacenamiento a otro. Se ha comprobado que si se destruye el IMHV derecho antes o inmediatamente después del entrenamiento, la retención depende por completo del IMHV izquierdo (McCabe, 1991). Además, se ha encontrado en el IMHV izquierdo, pero no en el derecho, un incremento en la cantidad de uniones a receptores NMDA correlacionado con el aprendizaje (McCabe y Horn, 1988). Dado que es el IMHV izquierdo el que parece actuar como almacén a largo plazo, este hallazgo es consistente con los resultados de gran parte de los experimentos expuestos con tareas espaciales que muestran que los receptores NMDA y la PLP están implicados específicamente en la MLP, en detrimento de su implicación en memorias de corta duración. En el experimento que nos interesa en relación con la estrategia de estudio que repasamos en este capítulo, McCabe, Davey y Horn (1992) trataron de determinar la posible implicación de los receptores NMDA en la adquisición de la impronta, administrando para ello AP5 en el IMHV izquierdo y lesionando el derecho antes del entrenamiento. Como control utilizaron la administración de AP5 en una zona próxima, el hiperestriado accesorio. Los resultados mostraron que la administración de AP5 en el IMHV izquierdo perjudicó significativamente el aprendizaje, que no quedó alterado cuando el fármaco se administró en el hiperestriado accesorio izquierdo. Además de la elegancia del experimento, el extraordinario nivel de precisión alcanzado por Horn y su grupo en el conocimiento de las bases biológicas de la impronta en un programa de investigación que dura
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más de veinte años aporta una dosis adicional de solidez a la relación encontrada entre receptores NMDA y adquisición de la impronta. Una de las formas de aprendizaje estudiada por Fleming y colaboradores consiste en exponer a una rata al olor y sabor de una nueva comida aplicada al hocico de un animal anestesiado situado en la misma jaula. El resultado es una preferencia de la comida expuesta en relación a otra (Galef, Kennett y Stein, 1985). Myhal y Fleming (1990) hallaron que los animales tratados con MK-801 intraperitonealmente o con AP5 intraventricularmente, sin embargo, no adquirían la preferencia por la comida preexpuesta, a diferencia de los animales control. No obstante, un problema de interpretación que surge en este trabajo es que no puede excluirse de sus resultados que el efecto se produjera por aversión condicionada a la comida como consecuencia de la administración del fármaco (C.2). En otro trabajo, estudiaron el efecto de la administración de MK-801 sobre otra forma de aprendizaje, la adquisición de la respuesta maternal mediada por la experiencia de exposición a las crías. No encontraron ningún efecto del fármaco sobre este tipo de aprendizaje, a diferencia del efecto perjudicial que encontraron sobre un laberinto radial (Malenfant, O’Hearn y Fleming, 1991). Basado en la ausencia de efectos en las tareas de exposición de comida y de exposición a las crías, en conjunción con los efectos encontrados sobre el laberinto radial, los autores concluyen que los receptores NMDA y la PLP, si bien parecen estar implicados en algunas formas de aprendizaje, no lo están en todas. El aprendizaje del canto en pájaros es otra forma de aprendizaje típica de especie sobre la que que ha sido estudiado el efecto de antagonistas NMDA (Aamodt, Nordeen y Nordeen, 1996; Basham, Nordeen y Nordeen, 1996). En el primer trabajo estudiaron el efecto de MK-801 y en el segundo el de AP5. El segundo trabajo replica y amplía los hallazgos del primero, por lo que es el que describimos. A un grupo de jóvenes pinzones zebra se les administró AP5 en el cerebro anterior antes de cada una de las diez sesiones en las que podían oír el canto de un pinzón adulto. Tres grupos control recibieron AP5 en diez sesiones no tutorizadas, AP5 en el cerebelo, o solución salina en el cerebro anterior. Los resultados mostraron una peor adquisición del canto en el grupo administrado con AP5 en el cerebro anterior. No obstante, su habilidad para discriminar el canto del pinzón zebra del canto del canario no se vio afectada. Claramente, estos resultados implican a los receptores NMDA en el aprendizaje del canto en pájaros. Asimismo, apuntan a una especificidad tanto en su lugar de acción como en sus efectos. Por un lado, muestran que es el cerebro anterior, o alguna estructura específica en él, el lugar en el que los receptores NMDA resultan críticos. Por otro, muestran que si
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bien el aprendizaje vocal del canto se vio afectado, los sujetos aprendieron algo bajo el efecto del AP5, discriminando posteriormente el canto que habían oído. Parece que alguna forma de aprendizaje perceptivo se mantuvo inalterado por el AP5. Por último, una de las formas más directas de medir el condicionamiento, aunque pocas veces utilizada, es medir el acercamiento a un estímulo apetitivo (Hearst y Franklin, 1977). Utilizando esta medida del condicionamiento en ratas se ha mostrado que la administración de AP5 en la amígdala antes de cada sesión de condicionamiento perjudica la adquisición de la asociación, pero no afecta su recuperación una vez que la asociación ha sido aprendida (P.2) (Burns, Everitt y Robbins, 1994).
2.6. Efectos sobre el condicionamiento de la respuesta de la membrana nictitante del conejo El condicionamiento clásico, en su formulación más típica, requiere múltiples emparejamientos EC-EI para que se establezca un aprendizaje estable. De entre todos los estudios que hemos revisado hasta el momento sobre el efecto de antagonistas de receptores NMDA en el aprendizaje, pocos han tratado con tareas de condicionamiento clásico, y los que lo han hecho han utilizado procedimientos de condicionamiento singulares, en tanto que requerían muy pocos ensayos para producir un aprendizaje estable. Este es el caso del condicionamiento de aversión a olores, a sabores o del condicionamiento del miedo. Hasta donde conocemos, existen muy pocos procedimientos de condicionamiento clásico con múltiples emparejamientos en el que se haya estudiado el efecto de antagonistas NMDA. Uno de ellos es el condicionamiento de la respuesta de la membrana nictitante (NMR) del conejo. Esta forma de aprendizaje depende críticamente de la integridad del cerebelo (McCormick et al., 1981), aunque, con un procedimiento de demora convencional, no depende de un hipocampo intacto (Schmaltz y Theios, 1972). No obstante, los registros de neuronas piramidales y granulares del hipocampo muestran una estrecha relación entre latencia, duración y topografía de los registros hipocampales y los de la RC conductual durante el condicionamiento (Berger y Weisz, 1987); y diversos experimentos muestran el papel crítico del hipocampo para una correcta sincronización de la RC (Hoehler y Thompson, 1980; James, Hardiman y Yeo, 1987; Port, Mikhail y Patterson, 1985; Port et al., 1986; Solomon, Vander Schaaf, Thompson y Weisz, 1986). Asimismo, utilizando la NMR se ha comprobado que aprendizajes más complejos, como el bloqueo o la inhibición latente, son claramente deteriorados con las lesiones hipocampales (Solomon y 374
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Moore, 1975; Solomon, 1987). Estos experimentos y otros han mostrado la existencia de una potenciación de las respuestas de neuronas hipocampales durante el condicionamiento, que parece similar a la PLP inducida por estimulación tetánica, sugiriendo que la PLP podría estar en la base de este tipo de condicionamiento (P.8). En particular, la potenciación que se produce en las células granulares del giro dentado con el condicionamiento es muy similar a la PLP inducida mediante estimulación tetánica (Berger y Sclabassi, 1988). Robinson (1993) estudió el efecto de la administración de MK-801 sobre el condicionamiento de la NMR al tiempo que su efecto sobre la actividad de las neuronas granulares del giro dentado. Encontró un retraso del condicionamiento como consecuencia de la administración del fármaco. Sin embargo, no encontró ningún efecto del MK-801 sobre la actividad neuronal relacionada en el giro dentado, donde se produjo la habitual potenciación de las respuestas de las células granulares a las aferencias de la vía perforada. Por tanto, no pudo determinar el lugar de acción del MK-801 para entorpecer el aprendizaje (P.8). Cox, Guthrie, Macrae y Kehoe (1994) replicaron el efecto del MK-801 administrado previamente al entrenamiento sobre el condicionamiento de la NMR, obteniendo también un peor condicionamiento el grupo tratado con MK-801. Además, obtuvieron un resultado complementario. Comprobaron que grupos control, con una buena adquisición del condicionamiento, mostraban deficiencias en la ejecución cuando se les administraba MK-801 antes de una sesión de recuperación (P.2), deficiencias que desaparecían en una posterior sesión, cuando de nuevo eran evaluados sin los efectos del fármaco. Así, los resultados parecerían esta mostrando un efecto tanto sobre la adquisición como sobre la recuperación. Por último, en un trabajo posterior, el mismo laboratorio ha encontrado también un efecto perjudicial del MK-801 sobre la extinción del condicionamiento (Kehoe, Macrae y Hutchinson, 1996). Este conjunto de resultados, mostrando déficits inespecíficos producidos por el fármaco, podrían estar indicando efectos sensoriomotores del fármaco, más que un efecto sobre los procesos responsables del aprendizaje y la memoria. De hecho, el análisis de los resultados expuestos fundamentalmente y el de otros experimentos adicionales en su estudio llevaron a Kehoe y colaboradores a concluir que la explicación más plausible de los efectos encontrados por el MK-801 no es la alteración de los mecanismos de plasticidad responsables de la asociación EC-EI, sino más bien un cambio en la codificación del EC que afectaría a su saliencia34. Así, no sería a través de su efecto sobre un 34
Esta es la misma explicación que la que ofrecen Aguado et al. (1994) para explicar los efectos sobre el condicionamiento de aversión al sabor.
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mecanismo neuronal asociativo como el receptor NMDA por lo que se explicaría el efecto del MK-801 sobre la adquisición de la NMR, sino a través de los efectos del fármaco sobre el sistema sensorial (C.2). No obstante, los propios autores no descartan que el MK-801 pudiera actuar dificultando la asociación a través del receptor NMDA. Otro experimento muestra también un efecto de otro antagonista NMDA sobre la adquisición de la NMR explicable por efectos distintos a su antagonismo NMDA. Ghoneim, Chen, El Zahaby y Block (1994) administraron ketamina a dosis a las que produce un claro deterioro motor (100 mg/kg). Como era de esperar por sus efectos motores, bajo la condición de ketamina no se observó la RC. Sin embargo, en pruebas posteriores en ausencia del fármaco el grupo tratado con ketamina durante el condicionamiento no mostró ningún deterioro en el aprendizaje. Dado que la ketamina es a esta dosis un eficaz inhibidor motor, este resultado muestra que el deterioro del aprendizaje durante la adquisición se debió al efecto motor de la ketamina, y por tanto a un problema de ejecución, no de aprendizaje (C.2). La explicación del efecto de la ketamina sobre la NMR por un mecanismo diferente a su antagonismo sobre los receptores NMDA es consistente con la explicación del efecto del MK-801, también por un mecanismo distinto a su antagonismo NMDA. Esta conclusión es, además, coherente con la ausencia de efectos encontrada por Robinson (1993) del MK-801 sobre la potenciación obtenida en el giro dentado durante el condicionamiento. Estos tres experimentos conjuntamente sugieren que ni la administración de MK-801 ni de ketamina afectan la asociación EC-EI en la adquisición de la NMR, sino que producen sus efectos a través de mecanismos directamente relacionados con la ejecución (C.2). En otro trabajo, Robinson, Port y Stillwell (1993) estudiaron el efecto del MK-801 sobre una tarea de inhibición latente. Recordemos que en esta tarea, el que va a ser EC durante el condicionamiento se presenta repetidamente previamente al condicionamiento, obteniéndose como resultado un retraso en el posterior condicionamiento. Ya hemos mencionado que esta tarea se ha mostrado sensible con el condicionamiento de la NMR a las lesiones del hipocampo (Solomon y Moore, 1975; Solomon, 1987). El resultado obtenido por Robinson et al. (1993), sin embargo, no muestra que el MK-801 afecte en manera alguna la inhibición latente, sugiriéndose que la inhibición latente no es dependiente de la sinapsis NMDA. Por último, en un reciente trabajo Thompson y Disterhoft (1997b) han encontrado que tanto el PCP como el MK-801 administrados previamente al entrenamiento producen un deterioro tanto en el condicionamiento de demora como en el de huella. Este estudio aporta algunos interesantes resultados 374
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complementarios. En primer lugar, ambos fármacos bloquearon por completo la adquisición del condicionamiento de huella, en tanto que sólo retrasaron la adquisición del condicionamiento de demora. Asimismo, ambos fármacos alteraron la sincronización de las respuestas durante el condicionamiento de huella, pero no durante el condicionamiento de demora. Claramente, estos efectos diferenciales sobre el condicionamiento de huella en relación al condicionamiento de demora se asemejan a los efectos diferenciales que sobre ambas tareas producen las lesiones del hipocampo (P.8). Asimismo, en el estudio se muestra que ambos antagonistas NMDA bloquearon la extinción del condicionamiento. Un último resultado interesante es que a las dosis a las que el fámaco afectó la adquisición no se produjeron efectos sobre la recuperación (P.2). Estos efectos sólo se observaron a dosis mayores, a las que también se observó un deterioro de las respuestas incondicionadas, mostrándose que el deterioro producido por estas dosis, pero no el producido por dosis más bajas, se debía al deterioro motor producido por el fármaco (C.2). En resumen, aunque se han encontrado algunos resultados que muestran que antagonistas de receptores NMDA perjudican el condicionamiento de la NMR, parece que su efecto no se debe al bloqueo de un mecanismo neuronal asociativo, como es el receptor NMDA y la PLP, sino a otros efectos, sensoriales y motores, de los antagonistas NMDA (C.2). No obstante, el trabajo de Thompson y Disterhoft (1997b) muestra un claro efecto perjudicial de antagonistas NMDA sobre el condicionamiento de la NMR, similar además al producido por la lesión del hipocampo (P.8). Así, se requieren más trabajos para esclarecer el efecto de los fármacos antagonistas NMDA sobre esta forma de condicionamiento.
2.7. Efectos sobre procedimientos de condicionamiento con múltiples ensayos Ya hemos visto que el efecto de antagonistas de receptores NMDA sobre tareas de condicionamiento clásico empleando procedimientos que impliquen múltiples emparejamientos EC-EI son muy infrecuentes, siendo el condicionamiento de la NMR del conejo uno de los pocos procedimientos con múltiples emparejamientos en el que se ha estudiado el efecto de antagonistas NMDA. En líneas generales, cabe decir lo mismo sobre el condicionamiento operante. Aunque casi todas las formas de aprendizaje espacial y tareas de aprendizaje relacionadas con la memoria de trabajo implican contingencias instrumentales, resulta llamativa la escasez de estudios sobre el efecto de antagonistas de receptores NMDA sobre
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procedimientos típicos de condicionamiento operante como el de presión de palanca. En relación al condicionamiento operante, en una tarea de presión de palanca bajo una contingencia de refuerzo continuo los resultados son contradictorios. Seybold, Miller y Port (1991) encontraron que el MK-801 no produjo ningún efecto sobre la adquisición. Sin embargo, más recientemente Pallarés, Nadal, Silvestre y Ferré (1995) han encontrado el efecto contrario utilizando el mismo procedimiento de aprendizaje, y como fármaco antagonista la ketamina. Pallarés y colaboradores encontraron un efecto dependiente de dosis sobre la adquisición de la tarea. Excluyeron además que el efecto encontrado pudiera ser consecuencia del efecto hiperlocomotor de la ketamina sobre la ejecución evaluando la actividad locomotora tanto sobre un campo abierto como en un plano inclinado (C.2). En un trabajo posterior, primer grupo ha vuelto a fallar en la búsqueda de efectos del MK-801 sobre tareas simples de condicionamiento operante. En esta ocasión, volvieron a encontrar que el fármaco no afectó la adquisición, ni aumentando el número de sesiones necesarias para llegar al criterio ni afectando al número de respuestas emitidas durante la adquisición. Adicionalmente, tampoco encontraron efectos sobre la extinción (Port, Murphy, Miller y Seybold, 1997). El condicionamiento operante también ha servido como procedimiento para estudiar la discriminación. Así, se ha estudiado el efecto de los antagonistas NMDA no competitivos MK-801 y PCP y los antagonistas competitivos CPP y NPC 12626 en una tarea en la que dos estímulos señalaban la disponibilidad de reforzamiento en una de dos palancas (Clissold, Ferkany y Pontecorvo, 1991). El diseño que emplearon fue intrasujeto, teniendo las ratas que aprender una nueva discriminación bajo el efecto de diferentes fármacos. Los resultados obtenidos fueron contradictorios respecto a la implicación de antagonistas NMDA, encontrándose que el CPP y el MK-801 retrasaron el aprendizaje, pero no lo alteraron PCP y NPC 12626. La conclusión de los autores es que los antagonistas NMDA perjudican el aprendizaje, explicando las diferencias encontradas entre los cuatro antagonistas por una inadecuada elección de las dosis de PCP y NPC 12626. En relación al condicionamiento clásico, aparte del condicionamiento de la NMR, sólo existen dos trabajos, que nosotros conozcamos, en los que se estudie el efecto de antagonistas NMDA sobre una tarea de condicionamiento clásico con múltiples emparejamientos, ambos muy recientes en comparación con el resto de trabajos presentados en este capítulo. El primero de ellos emplea un procedimiento de condicionamiento de parpadeo en ratas, análogo al condicionamiento de la NMR en conejos (Servatius y Shors, 1996). En este estudio se encontró que la 374
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administración del antagonista competitivo NMDA CGP 39551 impidió la adquisición del parpadeo condicionado. Para evitar la explicación alternativa dada por Cox y colaboradores a sus resultados sobre condicionamiento de la NMR en términos de reducción de saliencia del estímulo, Servatius y Shors entrenaron a grupos de ratas tanto con un tono de intensidad moderada como con un tono de alta intensidad que, presentado repetidamente por sí sólo, suele producir aumento de las respuestas de parpadeo por sensibilización. Comprobaron que el antagonista NMDA no redujo la sensibilización producida por el tono de alta intensidad, aunque sí el aprendizaje de su relación entre el tono y la descarga. Así, tanto utilizando un tono de intesidad moderada como de alta intensidad, el CGP 39551 produjo un detrimento en el aprendizaje, no explicable por una reducción de la saliencia del sonido. Asimismo, comprobaron que el fármaco no afectó la posterior recuperación (P.2), descartándose, por tanto, un efecto del fármaco por un detrimento motor. En definitiva, encontraron efectos sobre la adquisición y no sobre la recuperación, descartando que el efecto pudiera deberse a efectos sensoriomotores (P.2, C.2). El otro trabajo emplea una tarea de condicionamiento apetitivo en ratas, el mismo procedimiento que utilizamos en nuestros experimentos (Good y Bannerman, 1997). El objetivo principal del estudio de Good y Bannerman es comparar los efectos de la administración de AP5 y de la lesión del hipocampo (P.8). Para ello, estudiaron un fenómeno que se ha mostrado dependiente de la integridad del hipocampo: la especificidad contextual del condicionamiento (Honey y Good, 1993; sin embargo, ver Hall, Purves y Bonardi, 1996). El fenómeno consiste en que, adquirida la relación EC-EI en un contexto A, al realizar la prueba en un contexto B se observa un decremento en la ejecución (Hall y Honey, 1989). El estudio de Good y Bannerman muestra que la especificidad contextual del condicionamiento quedó abolida por la lesión del hipocampo, replicando los resultados de Honey y Good, pero no quedó afectada por la administración de AP5. Como resultado adicional, cabe comentar que la adquisición simple del condicionamiento no fue interferida por el AP5 en relación a un grupo control. En definitiva, el estudio muestra ausencia de efecto del AP5 sobre la adquisición del condicionamiento apetitivo en ratas, así como ausencia de similitud entre los efectos del AP5 y de lesiones hipocampales respecto a la especificidad contextual del condicionamiento (P.8). Por último, recordar que también se ha empleado el procedimiento de supresión condicionada para estudiar el efecto de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje, aunque empleando como EC la estimulación tetánica de la vía perforada. Ya expusimos este trabajo con cierto detalle en el capítulo III (Laroche et al., 1989; Laroche et al., 1991a). En estos estudios, el AP5 tuvo dos efectos. Al
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tiempo de bloquear la iniciación de PLP en el giro dentado, se bloqueó la adquisición de la tarea. Aunque este procedimiento parece adecuado en tanto que permitiría poner a prueba de forma directa el supuesto de que el mecanismo de actuación del fármaco antagonista NMDA es el bloqueo de la PLP, presenta, a nuestro entender, los problemas de interpretación que ya expusimos.
2.8. Efectos de la interacción de antagonistas NMDA con fármacos que actúan sobre otros sistemas de neurotransmisión A la luz de lo expuesto hasta el momento, surgen varios interrogantes sobre el efecto que los antagonistas de receptores NMDA tienen sobre el aprendizaje. En primer lugar, continúa abierto el debate sobre el tipo de tareas que se ven afectadas por estos fármacos. Continúa también abierto a debate el grado de similaridad existente entre los efectos producidos por antagonistas NMDA y por lesiones hipocampales. Cabe, asimismo, discusión sobre los mecanismos de acción por los que los fármacos antagonistas de receptores NMDA actúan sobre el aprendizaje: si actúan bloqueando la PLP, reduciendo la saliencia de la estimulación, disminuyendo el nivel de activación general del organismo, o por otros efectos colaterales (C.2). Pero, teniendo en cuenta el conjunto de evidencias presentadas, quedan pocas dudas sobre una cuestión central: los fármacos antagonistas de receptores NMDA causan un deterioro en el aprendizaje. Esta idea básica es entendida así por muchos investigadores que, asumido el papel que los fármacos antagonistas de receptores NMDA tienen como agente amnésico, han empezado a plantearse la relación de estos fármacos con otros que, actuando sobre otros sistemas de neurotransmisión, han sido también implicados en el aprendizaje y la memoria. Se ha estudiado la relación con los sistemas opiáceo, colinérgico (receptores muscarínicos), gabaérgico (receptores GABAA), dopaminérgico (receptores D2), noradrenérgicos (receptores ) y con los receptores AMPA, también receptores del glutamato. Algunos de estos estudios los veremos en el siguiente apartado, al ser estudios sobre la consolidación. A continuación vamos a ver algunos estudios que analizan la interacción entre fármacos antagonistas NMDA y fármacos que actúan sobre los sistemas opiáceo, colinérgico y dopaminérgico en relación a la adquisición del aprendizaje. Diversos estudios han mostrado que la administración de antagonistas opiáceos potencia el aprendizaje en tareas de aprendizaje espacial, tanto cuando se administran antes del entrenamiento (Decker, Introini-Collison y McGaugh, 1989), 374
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como cuando son administrados poco tiempo después del mismo (Gallagher, King y Young, 1983). Más recientemente, en algunos trabajos se ha encontrado que el efecto amnésico de antagonistas NMDA puede ser invertido por la administración de antagonistas opiáceos. Concretamente, en la versión 8/8 del laberinto radial se ha encontrado que el efecto amnésico producido por la administración antes de la sesión de MK-801 pudo ser contrarrestada por el antagonista opiáceo naltrexona administrado entre el MK-801 y el entrenamiento (Bostock, McKay, Fong y Min, 1992). Adicionalmente, estos investigadores encontraron que la naltrexona, por sí misma, no tuvo efecto sobre el aprendizaje. En otro trabajo, empleando una tarea de alternancia en un laberinto en Y con ratones, se ha encontrado también un deterioro en el aprendizaje tras la administración del antagonista NMDA NPC 12626 (Walker y Gold, 1992). De nuevo, los efectos del antagonista NMDA fueron invertidos por la administración de un antagonista opiáceo, en este caso naloxona35. Por último, un resultado similar se ha encontrado utilizando un procedimiento de evitación pasiva. Siguiendo una lógica inversa a la de los anteriores estudios, este estudio muestra que el efecto facilitador de la naloxona administrada tras el entrenamiento es contrarrestado por la administración de MK-801 previamente al entrenamiento (Quevedo et al., 1997). Estos sugieren un efecto modulador del sistema opiáceo sobre el sistema NMDA, si bien hasta el momento poco se sabe sobre la naturaleza de tal modulación36. Otro sistema de neurotransmisión tradicionalmente relacionado con la memoria es el colinérgico (ver Bartus, Dean, Pontecorvo y Flicker, 1985, para una revisión), al que ya hemos hecho referencia mostrando la disociación entre el tipo de déficits producidos sobre el aprendizaje por antagonistas colinérgicos y antagonistas NMDA en tareas de memoria de trabajo. En general, los estudios sobre el sistema colinérgico muestran que antagonistas perjudican el aprendizaje en tanto que agonistas lo favorecen, tanto si son administrados antes del entrenamiento como inmediatamente después (Bartus et al., 1985; McGaugh, 1989). En el estudio antes 35 En el experimento de Bostock et al. (1992) no se encontró inversión del efecto del MK-801 cuando se administró naloxona en lugar de naltrexona. La explicación de los autores es la diferente farmacocinética de ambos fármacos. En apoyo de esta explicación está el hecho de que Bostock et al. (1992) dejaron 2-3 minutos entre la administración de naloxona y la prueba, en tanto que Walker y Gold (1992) dejaron 30 minutos. 36 La relación del sistema opiáceo con los receptores NMDA, la PLP y la memoria parece compleja. Así, como vimos en el capítulo III, existe un tipo de PLP dependiente de los receptores opiáceos. Esto, junto a otros datos, lleva a postular a autores como Martínez y Derrick (1996) que antagonistas opiáceos deben perjudicar el aprendizaje. Apoyando esta idea, se ha encontrado un efecto perjudicial de opiáceos como las dinorfinas sobre el aprendizaje espacial (McDaniel, Mundy y Tilson, 1990). Sin embargo, hemos visto que algunos experimentos han mostrado más bien un efecto facilitador de antagonistas opiáceos sobre el aprendizaje. Por otro lado, el antagonismo funcional entre receptores NMDA y receptores opiáceos trasciende la relación de ambos sistemas con la memoria. Por ejemplo, la administración de naloxona suprime los efectos anestésicos de la ketamina (Baumeister y Advokat, 1991).
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citado, Walker y Gold (1992) encontraron que el efecto del antagonista NMDA NPC 12626 pudo también ser invertido por la administración del agonista colinérgico fisiostigmina entre la administración de NPC 12626 y el entrenamiento. Es difícil establecer si el resultado es producto de un efecto directo de modulación o es una mera neutralización de los efectos opuestos producidos por ambos fármacos. Sin embargo, el resultado, anteriormente revisado, en el que encontraron un efecto perjudicial de la administración conjunta de MK-801 y escopolamina que fue mayor que el efecto aditivo de cada uno de los fármacos sugiere que existe una interacción sinérgica entre los sistemas colinérgico y glutamatérgico (Matsouka y Aigner, 1996). Esta interacción es también sugerida por un trabajo en el que se estudió el efecto sobre la recuperación, utilizando una tarea de memoria espacial, de la administración de MK-801, de escopolamina y de ambos fármacos en conjunto. A diferencia de la mayoría de estudios descritos hasta ahora, se encontró un efecto amnésico tanto del MK-801 como de la escopolamina administrados antes de la prueba de recuperación. El resultado más interesante, no obstante, es que la administración conjunta de ambos fármacos a dosis inefectivas cuando eran administradas por sí solas también produjo una peor ejecución en la prueba de recuperación (Hlinak y Krejci, 1998). Esto es intepretado por los autores como el resultado de una relación entre los sistemas colinérgico y glutamatérgico. Sin embargo, en ninguno de los efectos obtenidos puede excluirse que el efecto se debiera a SDL, con lo que ni puede concluirse la interacción postulada por Hlinak y Krejci ni el efecto del MK-801 sobre la recuperación (C.2, P.2). También ha sido estudiado el efecto de antagonistas de receptores NMDA en relación con el sistema dopaminérgico. Diversos estudios muestran similitud en los efectos conductuales mostrados por antagonistas NMDA y por agonistas dopaminérgicos (Schmidt, Bubser y Hauber, 1992; Smith, Acton y Sharp, 1997). Asimismo, antagonistas NMDA parecen invertir la catalepsia inducida por antagonistas dopaminérgicos (Mehta y Ticku, 1990). Parece, por tanto, existir una interacción entre los sistemas dopaminérgico y glutamatérgico, y se ha propuesto el estriado como la estructura donde podrían interaccionar las aferencias de ambos sistemas (Micheletti, Lannes, Warter y Zwiller, 1993; Nieoullon y Kerkerian-Le Goff, 1992). La interacción de estos dos sistemas en el estriado ha sido estudiada en relación al aprendizaje mediante la administración de fármacos previamente al entrenamiento en una tarea de condicionamiento operante, en la que el reforzador sólo estaba disponible tras un breve periodo de tiempo tras la aparición del estímulo discriminativo (ED) (Baunez, Nieoullon y Amalric, 1994). Tanto AP5, 374
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administrado directamente en el estriado, como MK-801, administrado intraperitonealmente, produjeron un deterioro en el aprendizaje, aumentando las respuestas previas a la aparición del ED. El mismo resultado fue obtenido tras la administración de dopamina directamente en el estriado. Sin embargo, el antagonista dopaminérgico raclopride (antagonista de receptores D2) produjo el efecto inverso, aumentando el número de respuestas dadas tras el tiempo límite. Por último, el efecto del raclopride (administración subcutánea) fue contrarrestado cuando su administración fue conjunta a AP5 o a MK-801. Estos datos indican la existencia de un claro antagonismo entre los sistemas dopaminérgico y NMDA37. En el siguiente apartado se exponen otros estudios sobre la relación entre antagonistas de receptores NMDA con fármacos que actúan sobre otros receptores. La diferencia fundamental con los aquí expuestos es que la administración del fármaco se realiza tras el entrenamiento. Son, por tanto, estudios sobre la consolidación.
3. Efectos sobre la consolidación Recordemos que la estrategia para estudiar el efecto de un fármaco sobre la consolidación consiste en la administración del fármaco poco tiempo después del entrenamiento (McGaugh, 1966). Los estudios que han analizado el efecto de la administración de antagonistas NMDA tras el entrenamiento son bastantes menos que los que han estudiado el efecto de estos fármacos administrados antes del entrenamiento, y que acabamos de ver. Sin duda, la razón es que, como vimos en el capítulo anterior, los receptores NMDA son necesarios para la iniciación de la PLP, pero no para su mantenimiento. Son los receptores AMPA los que están implicados en el mantenimiento de la PLP. Así, en lo que a la PLP respecta, el papel de los receptores NMDA en el aprendizaje se ha centrado fundamentalmente en el proceso de adquisición. No obstante, también se han realizado algunos estudios sobre el papel de los antagonistas NMDA en el proceso de consolidación de la huella de memoria. Como expusimos en la introducción del capítulo (fig. 4.1), los receptores NMDA podrían tener un papel en la primera parte del proceso de consolidación y los receptores AMPA en un momento posterior de este proceso (P.5, P.6 y P.7). 37
Sin embargo, un último resultado encontrado por los autores fue que con una dosis baja, a la que el AP5 por sí mismo es inefectivo, el AP5 se comportó de forma inversa que a dosis altas, neutralizando los efectos de la dopamina y potenciando los del raclopride (Baunez et al., 1994). Así, se observó un efecto opuesto del AP5 sobre la transmisión dopaminérgica en función de la dosis. Este efecto es consistente con estudios que muestran efectos excitatorios o inhibitorios del glutamato, dependiendo de su concentración, sobre la liberación de dopamina (Imperato, Scrocco, Bacchi y Angelucci, 1990; Leviel, Gobert y Guilbert, 1990).
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Los resultados de los estudios relativos al efecto de antagonistas NMDA sobre el proceso de consolidación son más dispares que los que acabamos de exponer sobre el proceso de adquisición. Esto no debe resultar extraño si consideramos que la ventana temporal en la que los antagonistas NMDA ejercerían su efecto administrados tras el entrenamiento es muy restringida, según se expuso en el modelo de la introducción (ver fig. 4.1). Una vez pasado un tiempo tras el entrenamiento, la huella de memoria dejaría de ser sensible a antagonistas NMDA. No obstante esta cierta diversidad de resultados, a la que trateremos de dar explicación al final del apartado, destaca sobre el resto de trabajos, por la ambición de sus planteamientos y la coherencia de sus resultados, una amplia serie de experimentos llevados a cabo por Iván Izquierdo y su grupo. En estos experimentos, además de estudiarse el papel de los receptores NMDA en el proceso de consolidación, se estudia también el papel de los receptores AMPA, así como la secuencia temporal en que unos y otros intervienen en la consolidación, en diversas estructuras encefálicas (P.5, P.6 y P.7). Estos experimentos son inequívocos respecto a la implicación de los receptores NMDA en una primera fase de consolidación. La exposición del trabajo de Izquierdo, en la última parte de este apartado, nos servirá para delinear las conclusiones fundamentales sobre la implicación de los receptores NMDA, AMPA, así como otros sistemas de neurotransmisión en el proceso de consolidación. Vamos a dividir el conjunto de experimentos sobre consolidación en dos grupos: aquéllos que no encuentran un efecto perjudicial de antagonistas NMDA sobre la consolidación, y aquéllos que sí encuentran tal efecto.
3.1. Estudios que no encuentran efectos perjudiciales sobre la consolidación Algunos de los trabajos que hemos revisado hasta ahora complementan los experimentos sobre adquisición y recuperación con estudios en los que el fármaco se administra tras el entrenamiento. Así, en algunos trabajos del grupo de Fanselow sobre condicionamiento del miedo se comprobó que, si bien la administración intraventricular (Kim et al., 1991) o directamente en la amígdala (Maren et al., 1996) de AP5 previamente al entrenamiento impedía el condicionamiento, cuando el fármaco se administraba inmediatamente después de la sesión de condicionamiento, éste no se veía afectado. Tampoco obtuvieron efectos amnésicos de la administración tras el entrenamiento, habiéndolos obtenido con la administración intraperitoneal previa al entrenamiento, Robinson et al. (1989) trabajando con el 374
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laberinto de agua y utilizando MK-801. Asimismo, en evitación pasiva, cuando se administraron tras el entrenamiento no afectaron al aprendizaje AP5, PCP, MK-801, CPP ni NPC 12626, aunque sí lo habían hecho administrados antes del entrenamiento (Danysz et al., 1988; Venable y Kelly, 1990; Walker y Gold, 1991a). El mismo patrón se ha encontrado con MK-801 en una tarea de evitación activa (Delay, 1996). En conjunto, en estos estudios el patrón general de resultados fue el de efecto amnésico del farmaco antagonista NMDA cuando fue administrado previamente al entrenamiento, pero ausencia de efectos tanto con la administración posterior al entrenamiento como con la administración previa a la prueba (P.2 y P.5). De entre el conjunto de estudios que no encuentran un efecto perjudicial de la administración posterior al entrenamiento de antagonistas NMDA, los resultados más singulares son aquéllos en los que se encuentra incluso un efecto facilitador. El más conocido de estos trabajos es el de Mondadori y colaboradores (1989; Mondadori y Weiskrantz, 1991). Asimismo, por utilizar ketamina, el mismo fármaco que nosotros utilizamos en nuestro trabajo, vamos a hacer referencia al trabajo de Scavio, Scavio y Wills (1992), que también encuentra efectos facilitadores de la administración del fármaco. Al igual que los estudios vistos previamente, Mondadori et al. (1989) complementan sus estudios sobre la administración previa al entrenamiento de AP7 y MK-801 con la administración del fármaco tras el mismo. Recordemos que cuando administraron el fármaco antes del entrenamiento encontraron un efecto perjudicial en el laberinto de agua y en la evitación paso-a-través y mejora en el condicionamiento de evitación paso-abajo. Los resultados fueron idénticos para ambos fármacos. El patrón de resultados obtenido con la administración de los fármacos tras el entrenamiento fue, sin embargo, notablemente distinto al anterior, encontrándose ausencia de efectos sobre el laberinto de agua y facilitación de ambos tipos de aprendizaje de evitación (P.5). De nuevo, los resultados fueron idénticos para ambos fármacos. Posteriormente, Mondadori y Weiskrantz (1991) trataron de replicar los resultados sobre la evitación paso-abajo, consiguiéndolo parcialmente, y añadiendo una dosis adicional de dificultad a la interpretación de sus resultados. En este estudio, utilizaron de nuevo MK-801 y un nuevo antagonista NMDA, CGP 37849 y estudiaron el efecto de varias dosis tanto administradas previamente al entrenamiento como posteriormente al mismo, en un intento de que la dosis elegida pudiera explicar la discrepancia de resultados obtenidos en los experimentos anteriores. Si en el estudio anterior habían encontrado mejora en la evitación pasoabajo cuando administraron el fármaco previamente al entrenamiento, en éste
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obtuvieron mejora sólo cuando utilizaron dosis bajas de ambos fármacos, y ausencia de efectos con dosis mayores. Cuando la administración del fármaco fue posterior al entrenamiento encontraron mejora a todas las dosis con MK-801 y mejora a dosis bajas y ausencia de efectos a dosis altas con CGP 37849 (P.5). Resumiendo, el conjunto de resultados del grupo de Mondadori muestra: 1) la evitación pasiva paso-a-través queda perjudicada con la administración del fármaco previamente al entrenamiento y beneficiada con su administración posterior al mismo, tanto con MK-801 como con AP7 (P.5); 2) la evitación pasiva paso-abajo queda deteriorada con la administración previa al entrenamiento sólo a dosis bajas del fármaco, tanto con MK-801 como con CGP 37849; 3) la evitación pasiva pasoabajo queda deteriorada con la administración posterior al entrenamiento, dependiendo del fármaco utilizado: a cualquier dosis cuando se utiliza como antagonista MK-801, y sólo a dosis bajas cuando se utiliza como antagonista CGP 37849 (P.5). En conjunto, el cuadro que muestran estos resultados no resulta demasiado coherente. ¿Cómo podemos valorar este conjunto de resultados? En primer lugar, no hay razones por las que quepa esperar diferencias entre dos procedimientos de evitación pasiva como son evitación paso-abajo y paso-a-través. En segundo lugar, respecto a la evitación paso-a-través, es difícil explicar los resultados opuestos obtenidos cuando el mismo fármaco se administra previamente y después del entrenamiento. Y esto porque, como vimos en la introducción del capítulo, entre los procesos de adquisición y consolidación hay un continuo temporal. Así, se puede esperar que el fármaco actúe sobre un proceso y no sobre el otro, que actúe sobre los dos, o que actúe sobre los dos con distinta potencia. Pero resulta difícil explicar que tenga efectos opuestos sobre uno y otro proceso. En tercer lugar, respecto a la evitación paso-abajo, si bien es coherente que el efecto de un fármaco sobre el aprendizaje sea dependiente de la dosis, es más difícil explicar que el efecto se produzca sólo a dosis bajas y desaparezca a dosis mayores. En definitiva, no parece que los experimentos del grupo de Mondadori tengan la suficiente coherencia teórica para ser interpretados. Incluso, el conjunto de datos tampoco parecen tener entre sí la coherencia empírica necesaria para extraer conclusiones de ellos. Mención obligada tiene para nosotros el otro estudio en que se obtienen efectos facilitadores de la administración del fármaco tras el entrenamiento, ya que en este estudio se utilizó ketamina, el fármaco que empleamos en nuestros experimentos (Scavio et al., 1992). Scavio y colaboradores se interesaron por el efecto tras el entrenamiento de cuatro fármacos: ketamina (antagonista NMDA), escopolamina (antagonista muscarínico), clorpromacina (antagonista 374
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dopaminérgico) y anfetamina (potencia el efecto de las catecolaminas, sobre todo de la dopamina), utilizando como tarea el condicionamiento de la NMR. Sorprendentemente, encontraron que la ketamina aceleró el condicionamiento cuando era administrada inmediatamente después de cada sesión de condicionamiento (P.5). El resto de fármacos enlentecieron el aprendizaje. Para confirmar que la ketamina estaba incidiendo sobre el proceso de consolidación, comprobaron que ni la ketamina ni el resto de fármacos afectaron al aprendizaje administrados una vez transcurridas dos horas desde el entrenamiento. Por último, complementando los resultados sobre la adquisición del condicionamiento, Scavio y colaboradores estudiaron también el efecto de estos fármacos sobre la extinción, de nuevo administrados inmediatamente después de la sesión de extinción. La única droga que afectó la tasa de extinción fue la ketamina, que retrasó la extinción del condicionamiento. De nuevo, administrada dos horas después del entrenamiento, la ketamina no tuvo efecto. Recapitulando, administrada tras el entrenamiento, la ketamina aceleró la adquisición y retardó la extinción. Los autores no encuentran una explicación a estos resultados. Nosotros, a la luz del papel que los antagonistas NMDA tienen en la PLP y el aprendizaje y del conjunto de resultados estudiados en este capítulo, tampoco encontramos explicación ni a estos resultados ni a los efectos facilitadores obtenidos por Mondadori y colaboradores sobre el aprendizaje de evitación. En este contexto teórico estos resultados son, sin duda, excepcionales, siendo la norma muy distinta: bien la ausencia de efectos de antagonistas NMDA administrados tras el entrenamiento, como hemos visto en algunos trabajos, bien un efecto perjudicial tras su administración, como vamos a ver a continuación. En definitiva, dada la falta de una explicación coherente y la abundancia de experimentos que muestran un efecto perjudicial sobre el aprendizaje de la administración de antagonistas NMDA, creemos que efectos facilitadores como los obtenidos por Mondadori y colaboradores (1989; Mondadori y Weiskrantz, 1991) y Scavio et al. (1992) necesitan ser replicados para ser tomados en consideración. Queremos hacer un último comentario sobre el efecto facilitador de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje. En una reciente revisión, Danysz, Zajaczkowski y Parsons (1995) destacan estos estudios, citando varios trabajos en los que tras la administración del fármaco, bien antes del entrenamiento, bien después del mismo, supuestamente se encuentran efectos facilitadores. Concretamente, sugieren que antagonistas NMDA facilitarían el aprendizaje a dosis bajas y lo perjudicarían a dosis altas. No obstante, de alguno de estos trabajos sólo está publicado el resumen (Walker y Gold, 1991b). En otros, que hemos descrito en
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apartados anteriores, bien no se encuentra rastro alguno del supuesto efecto facilitador, sino que lo que realmente se produce es un deterioro del aprendizaje cuando el fármaco se administra antes del entrenamiento y ausencia de efectos cuando se administra tras el mismo (Walker y Gold, 1991a); bien se encuentra ausencia de efectos a lo largo de siete de los ocho ensayos de que constaba el procedimiento de evitación, con simplemente una ejecución mejorada en el grupo tratado con el antagonista NMDA en el ensayo cuarto que desaparece en los cuatro ensayos siguientes (Staubli et al., 1989). Por último, en otro trabajo, llevado a cabo por el propio equipo de Danysz se encuentra, en ratas no lesionadas, un efecto perjudicial del MK-801 sobre la tarea de MR en el laberinto radial (Zajaczkowski, Quack y Danysz, 1996). Todo esto no es para decir que no existan trabajos en los que se haya encontrado un efecto facilitador, como ya hemos mostrado, sino para decir que existen menos de los que señalan Danysz y colaboradores (1995), y para señalar, como también hacen Danysz y colaboradores (1995) que estos resultados, al menos por el momento, son débiles y deben considerarse con precaución. En los contados estudios restantes con efectos positivos, es necesario controlar que el efecto obtenido obedece a un efecto real sobre el aprendizaje, y no a un efecto inespecífico sobre la ejecución (C.2). En esta línea, resulta inquietante que los efectos motores de antagonistas de receptores NMDA, como el MK-801, muestre un patrón bifásico, aumentando la locomoción a dosis bajas e inhibiéndola a dosis altas38 (Whishaw y Auer, 1989). Por tanto, los supuestos efectos facilitadores a dosis bajas sobre el aprendizaje podrían ser debidos a simples efectos motores (Steckler y Sahgal, 1995). Estos efectos sobre la ejecución, que han sido controlados en multitud de experimentos que muestran un deterioro del aprendizaje tras la administración de antagonistas NMDA, deben ser igualmente controlados en los experimentos que muestran una facilitación del aprendizaje (P.5, C.2).
3.2. Estudios que encuentran efectos perjudiciales sobre la consolidación Como ya hemos indicado, la mayoría de estudios que han afrontado la implicación de los receptores NMDA en el proceso de consolidación encuentran un efecto perjudicial de la administración de antagonistas NMDA tras el entrenamiento. Al igual que en los estudios que no encuentran tal efecto, destaca la escasa diversidad procedimiental, a diferencia de los estudios que vimos en la primera 38
Con ketamina ocurriría algo parecido, a tenor de los efectos descritos en el capítulo II (tabla 2.1). Con dosis bajas se observa hiperlocomoción. Sin embargo, con dosis altas, el efecto anestésico es el que se observa, inhibiendo la hiperlocomoción. 374
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parte, en los que el fármaco se administra previamente al entrenamiento. La casi totalidad de los procedimientos de aprendizaje utilizados son procedimientos de evitación. De entre este conjunto de trabajos destacan los del grupo de Izquierdo, que trataremos separadamente. Estos trabajos estudian el papel de los receptores NMDA en el proceso de consolidación en relación con la función que otros receptores tienen también en el proceso.
3.2.1. Efectos de la administración de antagonistas NMDA tras el entrenamiento La mayoría de estos trabajos han empleado tareas de evitación. En un estudio ya citado, Liang et al. (1994) encuentran efectos diferentes de la administración del antagonista directamente en la amígdala y posterior al entrenamiento dependiendo de la tarea utilizada. Estudiaron los efectos de la administración de AP5 y MK-801 en una tarea de evitación (experimentos 4 y 5) y de AP5 en el laberinto de agua (experimento 7). Los resultados obtenidos fueron similares a los expuestos con anterioridad en relación a la adquisición cuando el fármaco se administró previamente al entrenamiento. La administración posterior al entrenamiento de ambos fármacos bloqueó la adquisición de la respuesta de evitación, siendo además el efecto dependiente de la dosis utilizada (P.5). Sin embargo, no afectó al aprendizaje de la tarea espacial. Asimismo, cuando establecieron una demora (2 y 5 horas con AP5 y MK-801 respectivamente) entre la sesión de condicionamiento y la administración del fármaco no se produjo deterioro en el aprendizaje de la tarea de evitación, sugiriendo esta ventana temporal un efecto sobre el proceso de consolidación, y no otros efectos inespecíficos del fármaco (C.2). Este efecto es también sugerido por el dato obtenido por los autores de que la administración de NMDA tras el entrenamiento neutralizaba el efecto amnésico del AP5 administrado antes del entrenamiento. El conjunto de resultados de Liang y colaboradores expuestos aquí y en apartados anteriores sobre la administración de antagonistas NMDA directamente en la amígdala muestran un efecto en el aprendizaje de evitación tanto sobre el proceso de adquisición (P.1) como sobre el de consolidación (P.5), aunque no sobre la recuperación (P.2) y una ausencia de efectos sobre el aprendizaje espacial. Resultados que también muestran un efecto perjudicial de antagonistas NMDA tras el entrenamiento también se han obtenido con evitación en ratones y en pollos. Así, empleando tareas de evitación se ha encontrado en ratones que la administración del antagonista competitivo de receptores NMDA gamma-LGLA
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tras el entrenamiento interfirió con la posterior recuperación de lo aprendido (Ungerer, Mathis, Melan y De Barry, 1990) (P.5). Otros trabajos que también han encontrado efectos sobre la consolidación de antagonistas NMDA sobre tareas de evitación son los llevados a cabo por Ng y su equipo con evitación pasiva en pollos con pocos días de edad (Rickard, Poot, Gibbs y Ng, 1994; Summers, Crowe y Ng, 1997). El paradigma consiste en permitir que los pollos picoteen dos gotas de cristal de distintos colores, para en un segundo momento recubrir una de ellas de una sustancia desagradable. En un ensayo de prueba posterior, en el que ninguna de las gotas está impregnada, los pollos evitan picotear la gota que fue aversiva durante el entrenamiento. La administración de AP5 tras el ensayo de condicionamiento produjo un detrimento en la prueba de recuperación efectuada 80 ó 90 minutos después (Rickard et al., 1994). En un posterior experimento estudiaron el efecto del AP5 administrado tras un ensayo de recuerdo, obteniendo de nuevo una peor ejecución que los animales control en la prueba de recuperación posterior (Summers et al., 1997) (P.5). Una prueba elegante de la implicación de los receptores NMDA en el proceso de consolidación es obtener efectos inversos para agonistas y antagonistas NMDA. La elegancia es mayor si se muestra, además, que isómeros de los fármacos utilizados que no actúen sobre el receptor NMDA no producen efectos sobre la consolidación. Esto es lo que se muestra en un trabajo que estudia el efecto de agonistas y antagonistas de receptores NMDA y no-NMDA en una tarea de evitación en un laberinto en T (Flood, Baker y Davis, 1990). Estos investigadores mostraron que administrados intraventricularmente inmediatamente después del entrenamiento, tanto agonistas NMDA como no-NMDA39 mejoraron la ejecución en una prueba efectuada una semana después. Es interesante destacar que aunque el ácido L-glutámico mejoró la ejecución, el ácido D-glutámico, su isómero inefectivo como agonista NMDA (ver capítulo II), no mostró efectos, lo que sugiere que los efectos del fármaco se debieron a su capacidad de antagonizar el receptor NMDA y no a efectos colaterales (C.2). Cuando se utilizaron antagonistas NMDA y noNMDA40 el resultado fue el inverso: un decremento en la ejecución posterior. 39 Como agonistas NMDA se utilizaron el propio glutamato (ácido L-glutámico) y el ácido (±)--pchlorophenyl-glutámico (CPG). Como agonistas no-NMDA se utilizaron los agonistas específicos que definen los otros tipos de receptores ionotrópicos del glutamato: ácido kaínico y ácido quisquálico (ver capítulo II). 40 Como antagonistas NMDA se utilizaron AP5 y ácido D-glutamilaminometil fosfónico (GAMP). Como antagonistas no-NMDA ácido -D-glutamilaminometil sulfónico (GAMS) y el 6,7-dinitro-quinoxaline-2,3dione (DNQX). GAMS y DNQX no son antagonsitas selectivos de ningún tipo de receptor. No obstante, muestran una preferencia claramente mayor por los receptores AMPA que por los receptores NMDA (Watkins, 1994). 374
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También en este caso se encontró estereoespecificidad en el efecto del AP5, hallándose que su isómero inefectivo como antagonista NMDA no produjo efectos (C.2). Además, ninguno de los fármacos agonistas o antagonistas fue efectivo cuando su administración se produjo 24 horas después del entrenamiento, mostrando que el efecto previo del fármaco sobre el aprendizaje se producía actuando sobre el proceso de consolidación y no debido a efectos del fármaco sobre la ejecución (C.2). Estos resultados muestran la implicación de los receptores NMDA en el proceso de consolidación, mejorando la huella de memoria la activación de los receptores mediante agonistas y entorpeciéndola el bloqueo de los mismos mediante antagonistas (P.5). Asimismo, muestran que en el proceso de consolidación no intervienen exclusivamente los receptores del glutamato NMDA, sino que también juegan un papel importante el resto de receptores del glutamato, entre los que se encuentran los receptores AMPA (P.6). La misma lógica, o sea, búsqueda de efectos opuestos para agonistas y antagonistas de receptores NMDA, se emplea en otro estudio sobre aprendizaje de evitación, tanto pasiva como activa (Quartermain, Nuygen, Sheu y Herting, 1991). En este trabajo se estudió el efecto de AP7, antagonista NMDA, para bloquear los efectos de la milacemida (MCM), un análogo de la glicina, y consecuentemente coagonista del receptor NMDA (ver capítulo II). Como cabría esperar a partir de su función agonista de los receptores NMDA, los resultados mostraron que la MCM mejoraba el aprendizaje administrada inmediatamente después del entrenamiento. Sin embargo, esta facilitación quedó contrarrestada cuando el AP7 se administró también inmediatamente después del entrenamiento. Dado que el MCM estaría actuando como coagonista del receptor NMDA, y que el AP7, antagonista NMDA, bloqueó los efectos facilitadores sobre el aprendizaje de la MCM, la conclusión razonable de los autores es que los receptores NMDA están implicados en la consolidación. Así, la activación de los receptores NMDA por medio de la unión de MCM al lugar de unión de glicina favorecería el aprendizaje, pero su bloqueo por medio de la unión de AP7 al lugar de unión del glutamato, neutralizaría este efecto (P.5). La totalidad de estudios mostrados hasta ahora que encuentran un efecto perjudicial de los antagonistas NMDA en el proceso de consolidación han utilizado diferentes procedimientos de evitación. No obstante, hay otros procedimientos donde también se ha encontrado este efecto. Así, en el aprendizaje de reconocimiento social en ratas se ha encontrado un deterioro en el aprendizaje tras la administración del antagonista NMDA después de la experiencia de aprendizaje (Hlinak y Krejci, 1994). En esta tarea, a una rata macho se le presenta un joven
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compañero desconocido durante 5 minutos, volviéndosele a presentar el compañero al cabo de 30 minutos. La disminución en la conducta de exploración tras la segunda presentación es utilizada como medida de reconocimiento social, mediado por claves olfatorias. Utilizando este paradigma, Hlinak y Krejci han mostrado que la administración intraperitoneal de varios antagonistas NMDA (PCP, MK-801, CPP y CGS 19755) inmediatamente después de la primera presentación del compañero, hace que el tiempo invertido durante la segunda presentación sea similar al de la primera, no mostrándose, por tanto, signos de reconocimiento del compañero (P.5). Sin embargo, ni el CNQX, agonista GABAA, ni el NBQX, antagonista AMPA, afectaron este aprendizaje. La ausencia de efectos obtenida tras la administración de antagonistas AMPA en esta tarea no apoya la predicción realizada al principio del capítulo (P.6). Sin embargo, dado que este tipo de aprendizaje está mediado por claves olfatorias, este resultado es coherente con el conocimiento de la alta concentración de receptores NMDA existente en el bulbo olfatorio (Monaghan y Cotman, 1985). Por último, los trabajos del grupo de Izquierdo los veremos en el siguiente apartado. En ellos, además de un procedimiento de evitación se estudia el efecto de antagonistas NMDA sobre la habituación a un nuevo contexto.
3.2.2. Papel de los receptores NMDA en el proceso de consolidación en relación al papel de otros receptores Izquierdo y su grupo llevan tiempo estudiando el papel de diferentes sistemas de neurotransmisión en la consolidación, y en los últimos años han llevado a cabo diversos trabajos en torno a los receptores NMDA, entre otros, en el contexto de un estudio sobre el curso temporal que el proceso de consolidación sigue en las diferentes estructuras del sistema límbico. Concretamente han estudiado los parámetros temporales que el proceso de consolidación sigue en la amígdala, el hipocampo, el septum y la corteza entorrinal, y recientemente están ampliando el estudio a la corteza parietal posterior. Sus experimentos muestran, a nuestro juicio, el más completo y coherente conjunto de resultados sobre la implicación de diferentes sistemas de neurotransmisión en el proceso de consolidación en el sistema límbico. De la mano de sus resultados iremos confeccionando las conclusiones sobre los sistemas de neurotransmisión implicados en la consolidación y concretamente el papel que en ese proceso juegan los receptores NMDA y AMPA (P.5, P.6 y P.7). Los procedimientos de aprendizaje que han utilizado son evitación pasiva y habituación a un nuevo contexto. 374
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Empleando una tarea de evitación pasiva encontraron que la administración de AP5 en la corteza entorrinal produjo amnesia cuando fue administrado 90 ó 180 minutos tras el entrenamiento, pero no tuvo efecto cuando se administró inmediatamente después o pasados 360 minutos. Sin embargo, cuando la administración se realizó en la amígdala, el AP5 produjo amnesia administrado justamente después del entrenamiento, pero no a los 90 minutos (Ferreira, Da Silva, Medina e Izquierdo, 1992; Jerusalinsky et al., 1992). Los mismos efectos obtenidos respecto a la amígdala fueron replicados cuando el AP5 se administró directamente en el hipocampo (Jerusalinsky et al., 1992). Complementariamente, estudiaron el efecto del muscimol, agonista de receptores GABAA y del CNQX (ciano-nitroquinoxaline-dione), antagonista de receptores AMPA. El muscimol produjo los mismos efectos que el AP5 sobre las mismas estructuras y con las mismas demoras entre el entrenamiento y la administración del fármaco (Ferreira, Da Silva et al., 1992). El CNQX causó amnesia administrado en la amígdala o en el hipocampo 0, 90 ó 180 minutos después del condicionamiento, pero administrado en la corteza entorrinal no tuvo ningún efecto (Jerusalinsky et al., 1992). Como prueba adicional del efecto del AP5 y muscimol en la amígdala utilizaron un procedimiento en el que una sesión de entrenamiento en evitación con una descarga leve es “recordada” con una nueva sesión 120 minutos después (Ferreira, Wolfman et al., 1992). Los sujetos normales muestran un buen aprendizaje tras la sesión de recuerdo, pero no con sólo una sesión. Sin embargo, la administración de AP5 y muscimol posteriormente a la primera sesión impidió el aprendizaje. Esto es interpretado como que el fármaco, al actuar sobre la consolidación, impide la formación de una huella de memoria tras la primera sesión de condicionamiento, por lo que no se obtienen efectos aditivos sobre la huella de memoria tras la segunda sesión. Los resultados con la tarea de habituación son básicamente similares a los obtenidos con evitación cuando el AP5 se administró en la corteza entorrinal y el hipocampo. AP5 y muscimol, administrados en la corteza entorrinal, causaron deterioro del aprendizaje administrados tras 90 y 180 minutos del entrenamiento, pero no administrados justo después o tras 360 minutos (Ferreira, Da Silva et al., 1992). Asimismo, al igual que en evitación, cuando se administraron en el hipocampo produjeron amnesia sólo cuando fueron administrados inmediatamente tras el entrenamiento (Izquierdo et al., 1992). La diferencia en los resultados obtenidos con ambas tareas es que el AP5 no produjo amnesia en la tarea de habituación ni administrado en la amígdala ni en el septum (Izquierdo et al., 1992), en tanto que vimos que con evitación pasiva tanto la administración en la amigdala
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(Ferreira, Da Silva et al., 1992; Izquierdo et al., 1992; Jerusalinsky et al., 1992), como en el septum (Izquierdo et al., 1992), produjeron amnesia. Este conjunto de resultados nos permite extraer varias conclusiones sobre el papel de los receptores NMDA, AMPA y GABAA en el proceso de consolidación en el sistema límbico. 1) Sobre otras precisiones, muestran que estos tres tipos de receptores están implicados en el proceso de consolidación. 2) Respecto a los receptores NMDA, los resultados indican que intervienen en el proceso de consolidación, ya que al ser bloqueados se produce amnesia (P.5). 3) Por el contrario, la activación de los receptores GABAA bloquean el proceso de consolidación. Así lo hace el agonista GABAA muscimol. 4) Más concretamente, los receptores GABAA parecen actuar inhibiendo el efecto de los receptores NMDA. Esto es sugerido por la exacta coincidencia del curso temporal de los efectos en todas las estructuras estudiadas entre AP5 y muscimol. 5) En lo concerniente a los sistemas glutamatérgico y gabaérgico, el proceso de consolidación implica, primero, al hipocampo y la amígdala, y después a la corteza entorrinal. Así se desprende del curso temporal que tanto AP5 como muscimol tienen en esas estructuras, tanto en la tarea de evitación como en la de habituación. 6) Los receptores AMPA están también implicados en el proceso de consolidación, aunque sólo en el hipocampo y en la amígdala, y no en la corteza entorrinal (P.6). 7) El curso temporal de los receptores NMDA y AMPA en el proceso de consolidación es distinto. Los receptores AMPA intervienen posteriormente a los receptores NMDA (P.7). 8) Los resultados sobre habituación, siendo básicamente similares a los de evitación respecto al curso temporal de los diversos sistemas de neurotransmisión muestran, sin embargo, que la amígdala no está implicada en ese tipo de aprendizaje. Esto es coherente con multitud de estudios que muestran una implicación específica de la amígdala en aprendizajes motivados por el miedo (Davis, 1992). En otros trabajos del mismo grupo se han replicado y ampliado algunos de los resultados expuestos. Izquierdo et al. (1992) administraron agonistas y antagonistas NMDA, GABAA, muscarínicos y -noradrenérgicos en el hipocampo, en la amígdala y en el septum inmediatamente después del entrenamiento en habituación y evitación (¡un total de 24 condiciones experimentales!). Los resultados con AP5 y muscimol fueron los anteriormente expuestos: bloquearon el proceso de consolidación. Además, las conclusiones sobre el papel del glutamato y GABA en el proceso de consolidación obtuvieron una contundente evidencia a favor adicional, al comprobarse que el propio glutamato (agonista NMDA) y la picrotoxina (antagonista GABAA) facilitaron el proceso de aprendizaje, exactamente el efecto opuesto al obtenido cuando los fármacos usados fueron un antagonista NMDA y un 374
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agonista GABAA. Asimismo, se comprobó que el antagonista muscarínico escopolamina, al igual que hacía AP5 bloqueaba el proceso de consolidación e, inversamente, el agonista muscarínico oxotremorina lo facilitaba. Otro resultado igualmente interesante fue que la amnesia producida por el AP5 o la escopolamina fue contrarrestada si junto a cada uno de los fármacos se administraba picrotoxina (antagonista GABAA). Por último, la noradrenalina facilitó también el proceso de consolidación, en tanto que el antagonista de receptores -noradrenérgicos timolol no produjo ningún efecto por sí solo, pero contrarrestó todos los efectos directos e indirectos descritos para la picrotoxina. Todos los efectos descritos se produjeron para las tres estructuras (hipocampo, amígdala y septum) en la tarea de evitación, pero sólo cuando los fármacos se administraron en el hipocampo en la tarea de habituación. Más recientemente, y respecto a la tarea de evitación, el mismo grupo ha ampliado a la corteza parietal posterior sus estudios sobre el papel de los receptores NMDA en la consolidación en diversas estructuras encefálicas. Coherentemente con lo encontrado en experimentos anteriores encontraron que la administración de AP5 en el hipocampo o en la amígdala perjudicó el aprendizaje administrado inmediatamente después del entrenamiento, pero no administrado 30, 60 ó 90 minutos después del mismo; y que la administración de AP5 en la corteza entorrinal perjudicó el aprendizaje administrado 30, 60 ó 90 minutos tras el entrenamiento, pero no inmediatamente después. El resultado más novedoso es que la administración de AP5 en la corteza parietal también perjudicó el entrenamiento, siendo su implicación posterior a la de la corteza entorrinal. Concretamente, sólo se observaron efectos transcurridos 60 ó 90 minutos desde la administración del fármaco (Zanatta et al., 1996). En otro trabajo han mostrado que los efectos en la corteza entorrinal y parietal también se observan cuando el AP5 es administrado 180 minutos después del entrenamiento (Izquierdo et al., 1997). Asimismo, al igual que en experimentos previos, el muscimol, agonista GABAA, produjo los mismos efectos que el AP5 en las mismas estructuras y a los mismos intervalos temporales (Izquierdo et al., 1997). Estos trabajos confirman varias de las conclusiones extraídas anteriormente sobre el papel de diferentes sistemas de neurotransmisión en el proceso de consolidación en el sistema límbico, a las que podríamos añadir las siguientes: 1) En la tarea de evitación están implicados tanto el hipocampo como la amígdala, el septum y la corteza entorrinal. El hipocampo, la amígdala y el septum parecen trabajar en paralelo en un primer momento. Posteriormente, la corteza entorrinal juega su papel, y la corteza parietal interviene aún posteriormente. 2) En la tarea de
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habituación sólo el hipocampo, en un primer momento, y la corteza entorrinal, posteriormente, están implicados. 3) La acetilcolina, por medio de los receptores muscarínicos, interviene, junto al glutamato, en el proceso de consolidación. 4) Los receptores -noradrenérgicos parecen actuar modulando el efecto de las sinapsis gabaérgicas. Un último conjunto de resultados del grupo de Izquierdo resulta muy interesante. Recientemente han encontrado que la misma secuencia temporal en la que hipocampo, amígdala, corteza entorrinal y corteza parietal intervienen en el proceso de consolidación se produce respecto a su implicación en la recuperación de la huella de memoria. Concretamente, estudiaron el efecto de administrar CNQX, antagonista AMPA, previamente a una prueba de recuperación efectuada 1 día, 31 días ó 60 días tras el entrenamiento. Encontraron que la administración de CNQX perjudicó la recuperación: 1 día después cuando se administró en el hipocampo o la amígdala; 1 ó 31 días después cuando se administró en la corteza entorrinal; y 1, 31 ó 60 días después cuando se administró en la corteza parietal (Izquierdo et al., 1997). Estos resultados muestran que las mismas estructuras que están implicadas en el proceso de consolidación lo están en el proceso de recuperación, y con una secuencia temporal similar. Asimismo, muestran que, en todas las estructuras, la recuperación es dependiente de los receptores AMPA, al ser perjudicada por el CNQX (P.3). Veamos a continuación las implicaciones de los trabajos de Izquierdo respecto a las predicciones realizadas en la introducción del capítulo, así como en relación a la estrategia general expuesta en la introducción para estudiar la relación entre PLP y los procesos de aprendizaje y memoria. En relación a las predicciones realizadas al principio del capítulo sobre el proceso de consolidación, se pueden extraer varias conclusiones a partir de los trabajos del grupo de Izquierdo. En primer lugar, la administración de antagonistas NMDA posteriormente al entrenamiento perjudica el proceso de consolidación (P.5). Asimismo, la administración de antagonistas AMPA posteriormente al entrenamiento también perjudica el proceso de consolidación (P.6). Además, los antagonistas NMDA producen su efecto en un momento del proceso de consolidación previo al de los antagonistas AMPA (P.7). Por último, respecto a la recuperación, los trabajos del grupo de Izquierdo muestran que la administración de antagonistas AMPA previamente a la prueba bloquea la recuperación de lo aprendido (P.2). Así, los resultados del grupo de Izquierdo son los esperados según el modelo expuesto sobre la relación entre aprendizaje y memoria, PLP y receptores NMDA y AMPA (fig. 4.1). 374
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En segundo lugar, en relación a la idea principal que justifica la estrategia seguida en los estudios que integran este capítulo, que los antagonistas NMDA bloquean el aprendizaje mediante el bloqueo de la PLP, es importante conocer el curso temporal de los efectos que estos fármacos tienen sobre la PLP y compararlos con los resultados expuestos sobre aprendizaje. Si el mecanismo por el que los antagonistas NMDA bloquean el aprendizaje es el bloqueo de la PLP, debería haber una correspondencia entre la ventana temporal en que estos fármacos afectan a la PLP y al aprendizaje. Lo mismo cabría decir respecto a los antagonistas de receptores AMPA. Respecto al aprendizaje, hemos visto que el AP5 causó un deterioro sobre el aprendizaje cuando fue administrado en el hipocampo o en la amígdala inmediatamente después del entrenamiento, en tanto que el CNQX, antagonista AMPA, afectó el aprendizaje administrado tanto inmediatamente después como más tarde. Pues bien, este es el mismo patrón temporal que muestran AP5 y CNQX para bloquear la PLP: la administración de AP5 y CNQX al comienzo de la PLP bloquean la misma, aunque administrados más tarde sólo el CNQX es efectivo para bloquearla (Collingridge et al., 1990). La misma comparación podría establecerse con agonistas GABAA. Hemos visto que la administración del agonista GABAA muscimol impidió el aprendizaje cuando fue administrado en el hipocampo o la amígdala inmediatamente después del entrenamiento. Aunque respecto a la PLP los datos no son tan concretos, de nuevo se obtiene un efecto similar: la PLP es fácilmente bloqueada por agonistas GABAA (Izquierdo et al., 1992; McGaugh et al., 1990). En definitiva, parece razonable concluir, en función del curso temporal de la acción de estos fármacos sobre la consolidación y la PLP que el mecanismo por el que estos fármacos perjudican el aprendizaje es precisamente por su capacidad para bloquear la PLP. Así, si bien es cierto que estos experimentos son deudores de un supuesto inicial, también es cierto que sirven para validar tal supuesto. Más recientemente, Izquierdo y Medina (1995) han ampliado este análisis a diversas sustancias y estructuras encefálicas en un trabajo titulado Correlación entre la farmacología de la PLP y la farmacología de la memoria. En el trabajo muestran una clara correlación entre el efecto que diversos fármacos producen sobre la PLP y los que producen sobre la memoria. Concretamente, muestran que tanto la PLP como la memoria se ven facilitadas por la administración de glutamato, norepinefrina, antagonistas GABAA, y agonistas de receptores metabotrópicos41. Asimismo, estudiando los efectos de la administración de estos fármacos sobre el hipocampo, la amígdala, el septum y la corteza entorrinal, muestran que cuando las
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Los receptores metabotrópicos son uno de los tipo de receptores del glutamato (ver capítulo II).
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memorias son dependientes de la integridad de una estructura, el fármaco sólo afecta a la memoria cuando es administrado específicamente en esa estructura.
3.3. Valoración En una valoración del conjunto de resultados expuestos a lo largo de este apartado sobre los efectos de antagonistas NMDA en el proceso de consolidación, la primera impresión que se obtiene es la de una gran heterogeneidad en los mismos. En un conjunto importante de resultados no se obtienen efectos de la administración de antagonistas NMDA tras la tarea de aprendizaje. En otro conjunto igualmente grande de ellos se obtiene un claro efecto, mostrándose un deterioro del aprendizaje. ¿Cómo puede explicarse esta disparidad de resultados? Pensamos que un aspecto crítico es la vía de administración del fármaco. Cuando éste es administrado por vía intraperitoneal o intraventricular se desconoce tanto el momento preciso en que el fármaco llega a una determinada estructura del cerebro como la concentración del mismo en la estructura. Por tanto, cuando el fármaco es administrado después del entrenamiento es posible que no alcance el tejido cerebral dentro del período crítico en el que puede afectar al proceso de consolidación, o que no lo haga con una concentración suficiente para bloquear los receptores NMDA. Esta indeterminación en el grado en que el tejido cerebral es afectado por el fármaco podría explicar la diferencia en los resultados obtenidos con administración intraperitoneal o intraventricular, unos mostrando ausencia de efectos (Danysz et al., 1988; Delay, 1996; Kim et al., 1991; Robinson et al., 1989; Venable y Kelly, 1990; Walker y Gold, 1991a), y otros mostrando un efecto perjudicial (Flood et al., 1990; Hlinak y Krejci, 1994; Quartermain et al., 1991; Rickard et al., 1994; Summers et al., 1997; Ungerer et al., 1990). Por contra, cuando el fármaco se administra directamente en una estructura cerebral su concentración en el tejido en el momento mismo de su administración queda controlada. Este es el caso de los estudios de Liang et al. (1994) y los del grupo de Izquierdo (Ferreira, Da Silva et al., 1992; Ferreira, Wolfman et al., 1992; Izquierdo et al., 1992; Jerusalinsky et al., 1992; Zanatta et al., 1996), que obtienen un consistente deterioro sobre el aprendizaje de la tarea con la administración del fármaco directamente en estructuras del sistema límbico (sin embargo, ver Maren et al., 1996, para un resultado opuesto). La conclusión, por tanto, a extraer del conjunto de estudios refereridos es que los receptores NMDA están implicados en el proceso de consolidación de la huella mnémica (P.5). Asimismo, los receptores AMPA están también claramente implicados en el proceso de consolidación (P.6). Además, los resultados del grupo de Izquierdo muestran que, como se desprende del modelo formulado en la introducción del capítulo (fig. 4.1.), 374
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la implicación de los receptores NMDA en el proceso de consolidación es previa a la implicación de los receptores AMPA (P.7).
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CAPÍTULO V. INTRODUCCIÓN GENERAL A LOS EXPERIMENTOS 1. Justificación de los experimentos 1.1. Objetivos generales 1.2. El fármaco elegido: la ketamina 1.3. Los procesos de aprendizaje y memoria elegidos: adquisición y recuperación 1.4. El procedimiento elegido: el condicionamiento de entrada al comedero
2. Control de efectos colaterales de la ketamina 2.1. Efectos motores de la ketamina 2.2. El aprendizaje dependiente de estado
3. Método General 3.1. Sujetos 3.2. Fármacos 3.3. Aparatos 3.4. Procedimiento 3.5. Análisis estadísticos
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Capítulo V Introducción general a los experimentos
Los experimentos que componen el presente trabajo tratan con el problema de los efectos que la ketamina tiene sobre la adquisición y la recuperación en diferentes tareas usando como procedimiento el condicionamiento clásico de entrada al comedero en ratas. Vamos a exponer en primer lugar los objetivos generales de los experimentos. Posteriormente se exponen las razones por las que hemos elegido la ketamina como fármaco, la adquisición y la recuperación como procesos de aprendizaje y memoria a estudiar, y el condicionamiento de entrada al comedero como procedimiento de aprendizaje. Por último, exponemos algunas consideraciones relativas al control de efectos colaterales de la ketamina en nuestros experimentos, en particular efectos motores y aprendizaje dependiente de estado.
1. Justificación de los experimentos 1.1. Objetivos generales Los cuatro experimentos que componen este trabajo responden a planteamientos comunes, que ya han sido expuestos con amplitud en capítulos previos. Los experimentos 1, 2 y 3 estudian el efecto de la ketamina sobre la adquisición del aprendizaje y la recuperación de lo aprendido. Dado que los receptores NMDA están implicados en la inducción de PLP, pero no en su mantenimiento ni expresión (ver capítulo III), esperamos obtener un efecto de la ketamina sobre la adquisición, pero no sobre la recuperación. Éstas son las
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PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico
predicciones 1 y 2 enunciadas en la introducción del capítulo IV, y que ahora reproducimos en relación a la ketamina: P.1: la administración de ketamina previamente al entrenamiento debería producir un deterioro en la adquisición; P.2: la administración de ketamina previamente a la prueba no debería producir efectos sobre la recuperación. Otro planteamiento general que ha guiado nuestros experimentos es dilucidar la posible similitud entre los efectos que las lesiones hipocampales y la ketamina, como antagonista NMDA, tienen sobre el aprendizaje. Vimos en el capítulo IV numerosos estudios interesados por esta similitud, consecuente con las múltiples evidencias que muestran a la PLP como un fenómeno característico del hipocampo (ver capítulo III). Los experimentos 1 y 2 nos sirven para contrastar el efecto de la ketamina sobre una tarea dependiente de la integridad del hipocampo (experimento 1) e independiente de la misma (experimento 2). Asimismo, en las dos fases del experimento 4 se realiza un contraste similar entre una tarea dependiente y otra independiente del hipocampo. Nuestra predicción respecto a la similitud de efectos entre lesiones hipocampales y ketamina es la que ya expusimos en la introducción del capítulo IV como P.8. Por evitar confusiones, mantenemos aquí la misma numeración: P.8: el aprendizaje de tareas sensibles a lesiones hipocampales debería quedar también deteriorado por la administración de ketamina, en tanto que las tareas insensibles a las lesiones hipocampales no deberían quedar alteradas por la ketamina. Evidentemente, hay otros objetivos que justifican cuatro nuevos experimentos a añadir a los ya existentes sobre el mismo tema. Estos objetivos son, bien también teóricos aunque de menor calado, bien directamente procedimentales. Estos últimos creemos que son también de gran importancia, pues sirven al examen adecuado de las predicciones planteadas. Unos y otros justifican gran parte de las decisiones procedimentales tomadas y se exponen en los siguientes apartados.
1.2. El fármaco elegido: la ketamina El fármaco utilizado en nuestros experimentos es un antagonista de receptores NMDA. El estudio del efecto de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje, además del interés que por sí tiene el estudio del efecto de un fármaco sobre los procesos de aprendizaje y memoria, forma parte de una estrategia para estudiar la relación entre PLP y estos procesos, como vimos en la introducción del capítulo IV. El antagonista 374
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NMDA elegido es la ketamina, antagonista no competitivo (ver capítulo II), y su vía de administración intraperitoneal (i.p.). Una ventaja de la ketamina es que, como otros antagonistas no competitivos, supera fácilmente la barrera hematoencefálica, por lo que puede ser administrada periféricamente (ver capítulo II). Asimismo, la ketamina ha mostrado su capacidad para antagonizar el receptor NMDA y bloquear la PLP (ver capítulo II). La capacidad de la ketamina para bloquear la PLP es de particular importancia para nosotros, pues el fármaco no es más que parte de una estrategia para estudiar la relación entre PLP y apendizaje (ver capítulo III). En este sentido, es importante señalar que la ketamina ha mostrado mayor facilidad para bloquear la PLP que el MK-801, el antagonista no competitivo de receptores NMDA más ampliamente usado en estudios sobre aprendizaje. Así, en algunos estudios se ha encontrado que la ketamina bloquea la PLP, en tanto que el MK-801 no lo hace (Maren, Baudry y Thompson, 1991). En otros, aunque se ha encontrado que el MK-801 es capaz de bloquear la PLP, la dosis necesaria para el bloqueo ha sido de 1 mg/kg, una dosis casi letal, más de diez veces superior a la que puede utilizarse en estudios conductuales sobre MK-801 (Abraham y Mason, 1988). Esta dificultad para producir bloqueo de la PLP con MK-801 ha llevado a cuestionar la utilidad de este fármaco para la estrategia de relacionar PLP con aprendizaje (Keith y Rudy, 1990). Esto contrasta con la ketamina, que se ha mostrado en varias ocasiones capaz de bloquear la PLP a dosis bajas (30 mg/kg), dosis que produce sólo leves efectos motores, y a la que pueden estudiarse sus efectos conductuales (ver capítulo II), tal y como hacemos en este trabajo.
1.3. Los procesos de aprendizaje y memoria elegidos: adquisición y recuperación Para estudiar el efecto sobre la adquisición, el procedimiento seguido es la administración del fármaco previamente a cada sesión de entrenamiento. Para estudiar el efecto sobre la recuperación, las sesiones de entrenamiento se desarrollaban en ausencia del fármaco, y éste se administra previamente a una sesión de prueba. Excluimos el estudio sobre el proceso de consolidación por los problemas de interpretación de estos estudios cuando la administración del fármaco no se realiza directamente en el tejido cerebral. Así, volviendo a las predicciones realizadas en la introducción del capítulo IV sobre el efecto de antagonistas NMDA podemos recordar que, dado que los receptores NMDA están implicados en la iniciación de PLP, pero no en su mantenimiento ni expresión, podemos predecir que
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antagonistas NMDA perjudicarán la adquisición, pero no la recuperación de lo ya aprendido. Estas dos predicciones son claras y directas. Sin embargo, las predicciones respecto al proceso de consolidación no son tan nítidas. Vimos que los antagonistas NMDA podrían afectar el proceso de consolidación, pero dentro de una estrecha ventana temporal tras el entrenamiento. Como ya hemos argumentado, esta limitación temporal de los efectos sobre la consolidación de antagonistas NMDA hace difícil establecer predicciones cuando el fármaco se administra periféricamente, como ocurre en nuestros experimentos, dado que no se puede precisar el momento de actuación del fármaco sobre el tejido cerebral. Por tanto, en este trabajo no abordamos el efecto de la ketamina sobre el proceso de consolidación. En definitiva, al estudiar el efecto de la ketamina administrada intraperitonealmente sobre la adquisición y la recuperación, esperamos aclarar el papel de este fármaco en procesos de aprendizaje y memoria.
1.4. El procedimiento elegido: el condicionamiento de entrada al comedero En los experimentos de este trabajo utilizamos el condicionamiento de entrada al comedero en ratas, un procedimiento de condicionamiento clásico apetitivo (ver p. ej., Farwell y Ayres, 1979; Hall y Honey, 1989). En este procedimiento, el EC (sonido o luz) precede durante un tiempo al EI (una bolita de comida), terminando ambos conjuntamente. Tras múltiples emparejamientos las ratas asocian el EC al EI, siendo el índice de aprendizaje la entrada al comedero durante el periodo en que el EC está activo previamente a la presentación del EI. Así, cada ensayo de condicionamiento sirve, a su vez, como un ensayo de prueba. Este procedimiento tiene algunas ventajas de cara a disociar los efectos sobre el aprendizaje de otros efectos del fármaco sobre la ejecución, como se expone más adelante. Con la elección de este procedimiento se persiguen varios objetivos. En el capítulo IV vimos una gran cantidad de trabajos en los que se estudiaba el efecto de antagonistas de receptores NMDA sobre la adquisición utilizando diferentes paradigmas de aprendizaje. Estos paradigmas son muy diversos, pudiendo encontrarse desde distintas formas de aprendizaje espacial hasta la impronta en pollos, por poner dos ejemplos. No obstante, ya mostramos que son escasos los trabajos que estudian el efecto sobre la adquisición de estos fármacos en tareas de condicionamiento clásico. Esta falta de estudios sobre condicionamiento clásico, quizás la forma más universal y mejor conocida de aprendizaje asociativo, contrasta con la caracterización del receptor NMDA y la PLP como dispositivo y forma de 374
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plasticidad sináptica, respectivamente, genuinamente asociativos (ver capítulo III). El receptor NMDA se comporta como un mecanismo básico que detecta la convergencia de actividad pre- y postsináptica. La forma más simple de PLP, la PLP homosináptica, consiste en un incremento de la eficacia sináptica consecuencia de la actividad simultánea de dos conjuntos de neuronas. Por último, vimos también en el capítulo III que otra forma de PLP, la PLP asociativa, permite una sugerente analogía entre PLP y condicionamiento clásico, en la que inputs débiles y fuertes jugarían el papel de estímulos condicionados e incondicionados (ver fig. 3.3). Ya hicimos un análisis en aquel momento de los argumentos a favor y en contra de la analogía. Pero, sin duda, la última palabra sobre la validez de una analogía en ciencia no pueden tenerla los argumentos, sino que está reservada a los datos experimentales. En definitiva, por ser el receptor NMDA un mecanismo básico asociativo, por ser la PLP homosináptica un fenómeno de plasticidad sináptica asociativo, y por la correspondencia que puede observarse entre PLP asociativa y condicionamiento clásico, resulta sorprendente la escasez de estudios que hayan afrontado el papel de los antagonistas NMDA sobre la adquisición del condicionamiento clásico. Además, entre los trabajos existentes sobre el efecto de los antagonistas NMDA en el condicionamiento clásico, varios han utilizado procedimientos de condicionamiento peculiares, si consideramos como procedimiento estándar de condicionamiento aquél que conlleva la presentación repetida de dos estímulos en estrecha contigüidad temporal (Aguado, 1989). Además, una ventaja de los procedimientos convencionales es que, a partir de los múltiples ensayos que se necesitan para que se produzca condicionamiento, permiten la confección de curvas de aprendizaje. Habitualmente, estas condiciones no se dan en el condicionamiento de aversión al sabor o el condicionamiento del miedo, en el que un sólo ensayo es suficiente para producir condicionamiento. Además, en el condicionamiento de aversión al sabor el intervalo entre estímulos efectivo para producir aprendizaje puede llegar a ser de más de una hora. La mayoría de los estudios que han tratado el efecto de los antagonistas NMDA en el condicionamiento clásico han utilizado estas formas de condicionamiento (Aguado et al., 1994; Campeau et al., 1992; Fanselow y Kim, 1994; Fanselow et al., 1994; Gewirtz y Davis, 1997; Hatfield y Gallagher, 1995; Kim et al., 1991, 1992; Maren et al., 1996; Miserendino et al., 1990; Robinson et al., 1989; Staubli et al., 1989; Welzl et al., 1990; Willner et al., 1992; Young et al., 1994). Entre los pocos procedimientos de condicionamiento clásico con múltiples emparejamientos de estímulos en estrecha contigüidad temporal que se han
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empleado para estudiar el efecto de antagonistas NMDA sobre la adquisición del aprendizaje destaca el condicionamiento de la respuesta de la membrana nictitante (NMR) en conejos (Cox et al., 1994; Ghoneim et al., 1994; Robinson, 1993). Sin embargo, ya vimos que sus resultados no son muy claros. Aunque muestran un deterioro en la respuesta condicionada, no puede concluirse que este deterioro conductual sea consecuencia de un déficit de aprendizaje, sino que parece deberse a efectos sensoriales y motores del fármaco (ver, sin embargo, Thompson y Disterhoft, 1997b). La escasez de experimentos que muestren un detrimento en el aprendizaje controlando los efectos colaterales del fármaco contrasta ampliamente con la abundancia de estudios que, utilizando tareas diferentes al condicionamiento clásico, muestran efectos de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje no atribuibles a efectos colaterales del antagonista NMDA (ver capítulo IV). Recientemente, se ha estudiado también el efecto de antagonistas NMDA sobre el procedimiento equivalente en ratas al condicionamiento de la NMR, el condicionamiento de parpadeo (Servatius y Shors, 1996). Parece, por tanto, necesario afrontar el estudio del efecto que antagonistas NMDA tienen sobre procedimientos de condicionamiento clásico, y en particular sobre procedimientos que impliquen múltiples emparejamientos entre estímulos en estrecha contigüidad temporal que permitan un control adecuado de los efectos colaterales del fármaco. Éste es uno de los objetivos al que sirven los experimentos de este trabajo. Otro objetivo de los experimentos que componen este trabajo es extender el estudio de los efectos de antagonistas NMDA a tareas sobre las que previamente no hayan sido estudiados. Respecto al procedimiento que nosotros utilizamos, hasta donde llega nuestro conocimiento, existe sólo un reciente trabajo que haya estudiado el efecto de antagonistas NMDA sobre el aprendizaje (Good y Bannerman, 1997). Como vimos en el capítulo IV, en ese trabajo se pone a prueba la especificidad contextual del condicionamiento en grupos tratados con AP5 en relación a un grupo con lesión del hipocampo. Hay varias razones por las que es relevante la extensión de ese conocimiento a nuevas tareas. Así, conviene recordar que, incluso aceptando, a partir del conjunto de experimentos que ya hemos revisado en los capítulos III y IV, que la PLP es una forma de plasticidad neuronal implicada en el aprendizaje, hay razones para esperar diferencias en el grado en que tareas diferentes puedan quedar afectadas. En primer lugar, porque es posible que haya formas de aprendizaje y memoria que no dependan de la forma de plasticidad sináptica conocida como PLP (Bliss y Collingridge, 1993; Martínez y Derrick, 1996; Shapiro y Hargreaves, 1997; Soumirey-Mourat y Roman, 1991; Teyler y Grover, 1993). En segundo lugar, porque incluso asumiendo que la PLP es un mecanismo neuronal 374
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universal de aprendizaje y memoria, existen diferentes formas de PLP, no todas dependientes de los receptores NMDA (ver capítulo III). Podría, por tanto, ocurrir que unas tareas de aprendizaje fueran dependientes de la PLP dependiente de los receptores NMDA y otras tareas de otras formas de PLP. Además, diferentes formas de PLP se desarrollan en estructuras cerebrales diferentes. Resulta, por tanto, relevante conocer cuáles son las tareas que se ven afectadas por la administración de antagonistas NMDA y cuáles no. El conocimiento de las demandas que desde el punto de vista psicológico tienen unas y otras tareas y de la implicación que en ellas puedan tener distintas estructuras cerebrales es fundamental para avanzar en la relación que la PLP pueda tener con procesos psicológicos específicos. Un tercer objetivo es el estudio del efecto diferencial de antagonistas NMDA sobre tareas dependientes de la integridad del hipocampo y sobre tareas que no lo son. La tradición en el estudio de la relación entre PLP y el aprendizaje y la memoria ha mostrado un interés particular por estas diferencias, como hemos visto a lo largo de la revisión realizada en el capítulo IV. Un problema, no obstante, es que las tareas utilizadas dependientes e independientes de la integridad del hipocampo difieren entre sí en muchos más aspectos que en esta dependencia. En general, estas tareas difieren también en el procedimiento de aprendizaje, y por tanto en los estímulos utilizados, número de ensayos, medida del aprendizaje, etc. Esto hace difícil aislar las demandas de la tarea que expliquen las diferencias entre los resultados. En los experimentos del presente trabajo hemos afrontado la cuestión de los posibles efectos diferenciales de la ketamina sobre tareas dependientes e independientes del hipocampo, manteniendo constante el procedimiento de aprendizaje. En el experimento 1 estudiamos el efecto de la ketamina sobre el condicionamiento clásico de demora corta, tarea no sensible a la lesión del hipocampo, en tanto que en el experimento 2 estudiamos el efecto del mismo fármaco sobre el condicionamiento de huella, tarea sensible a la lesión del hipocampo, utilizando el mismo procedimiento. Asimismo en el experimento 4 estudiamos el efecto del fármaco tanto sobre la discriminación entre dos estímulos como sobre la posterior inversión de la discriminación aprendida. El aprendizaje de la discriminación no es sensible a la lesión del hipocampo, en tanto que la inversión de la misma sí lo es. Hasta donde conocemos no existen estudios que traten de diferenciar entre tareas sensibles a la lesión del hipocampo y tareas que no lo sean manteniendo constante el procedimiento y, por tanto, aislando las demandas que desde el punto de vista de los procesos psicológicos diferencian a unas y otras tareas.
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2. Control de efectos colaterales de la ketamina En el capítulo II hicimos una amplia descripción de los efectos conductuales de la ketamina. En tareas de aprendizaje, la ketamina puede afectar directamente a la ejecución sin afectar al aprendizaje, confundiéndose ambos efectos. Los efectos típicamente descritos son hiperlocomoción, estereotipia, ataxia y anestesia. De estos efectos, los que se producen a las dosis que empleamos en nuestros experimentos son hiperlocomoción y ataxia, ambos efectos motores. En primer lugar, vamos a ver algunas medidas que tomamos para controlar estos efectos en nuestros experimentos. En segundo lugar, veremos algunas medidas para evitar los problemas derivados del aprendizaje dependiente de estado, que no siendo un efecto genuino sobre el aprendizaje, puede confundirse con éste en estudios psicofarmacológicos.
2.1. Efectos motores de la ketamina Otro de los objetivos que hemos perseguido en la puesta en práctica del procedimiento de aprendizaje que utilizamos es el control de los efectos conductuales de la ketamina que puedan confundir su efecto sobre el aprendizaje. Una importante crítica a los estudios que utilizan antagonistas no competitivos de receptores NMDA es que los efectos sobre el aprendizaje pueden ser atribuidos a los efectos motores de estos fármacos (Keith y Rudy, 1990). Dado que la medida de condicionamiento requiere la entrada al comedero durante el periodo en el que el EC está activo, merecen especial atención los efectos de la ketamina que pueden afectar la habilidad motora, como sus efectos anestésicos e hiperlocomotores. Es, por tanto, fundamental el control de estos efectos. En el capítulo II hicimos una exposición de los efectos conductuales de la ketamina, en particular sus efectos anestésicos e hiperlocomotores, y la farmacodinámica de estos efectos a diferentes dosis (tabla 2.1). Para controlar estos efectos en los experimentos sobre aprendizaje una primera medida es tratar de reducirlos al máximo. Esto puede hacerse permitiendo un tiempo de recuperación entre la administración del fármaco y la experiencia de aprendizaje que tenga en cuenta la farmacodinámica de estos efectos motores de la ketamina a las dosis utilizadas. En la elección de las dosis hemos tenido en cuenta tanto los datos existentes sobre dosis a las que la ketamina produce bloqueo de la PLP (ver capítulo II) como las dosis que se han utilizado en trabajos previos sobre el efecto de la ketamina en el aprendizaje. Según veíamos en el capítulo II, aunque no existen estudios 374
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sistemáticos sobre diferentes dosis, se ha comprobado que se produce bloqueo de la PLP a una dosis de 30 mg/kg administrada intraperitonealmente. Por debajo de esta dosis, no puede afirmarse que la ketamina bloquee la PLP, aunque evidencias indirectas indican que podría obtenerse bloqueo con dosis de 22.5 mg/kg. Así las cosas, resulta llamativo que del conjunto de trabajos revisados que estudian el efecto de la ketamina sobre el aprendizaje sólo un trabajo utilice una dosis máxima suficiente para bloquear la PLP (Wesierska et al., 1990, utilizan 6, 15 y 37 mg/kg) y otros dos trabajos utilicen dosis cercanas (Aguado et al., 1994; y Welzl et al., 1990, utilizan 25 mg/kg). El resto emplean dosis máximas alejadas de las que permiten el bloqueo de la PLP (p. ej., Robinson y Crawley, 1993, emplean una dosis máxima de 10 mg/kg; Pallarés et al., 1995, una dosis máxima de 12 mg/kg; ó Lalonde y Joyal, 1991, una dosis máxima de 15 mg/kg). Aunque emplear dosis bajas tiene la indudable ventaja de que se disminuyen los efectos conductuales de la ketamina (ver capítulo II), es altamente cuestionable que el detrimento que con ellas se obtiene sobre el aprendizaje pueda ser atribuido al bloqueo de la PLP por parte del fármaco. En lo que a los experimentos de este trabajo respecta, la dosis máxima utilizada es de 37 mg/kg para los cuatro experimentos, contando con dosis intermedias de 6 y 15 mg/kg (experimentos 1 y 2) y 25 mg/kg (experimentos 3 y 4). El tiempo de duración de los efectos motores varía según la dosis de ketamina utilizada (ver tabla 2.1). Así, son necesarios distintos tiempos de recuperación antes de que los sujetos sean expuestos a la tarea de aprendizaje. Este tiempo debe ser suficiente para que puedan ser excluidos de la interpretación de los resultados los efectos motores de la ketamina. Sin embargo, casi todos los trabajos repasados relativos a los efectos de la ketamina sobre el aprendizaje utilizan tiempos de recuperación demasiado cortos. Por ejemplo, Wesierska et al. (1990) emplean un tiempo de recuperación para la dosis de 37 mg/kg de 30 minutos. Utilizando como referencia los datos de la tabla 2.1 puede decirse que ese es un tiempo claramente insuficiente. Asimismo, según nuestra experiencia con la misma dosis, a los 30 minutos de la inyección las ratas muestran diversas anormalidades conductuales, además de un bajo tono muscular. En nuestros experimentos hemos intentado que la experiencia de aprendizaje se produzca pasado el tiempo en el que están presentes los efectos motores de la ketamina. Así, en nuestros experimentos 1 y 2 dejamos un tiempo de recuperación para esa dosis de 45 minutos, tiempo que ampliamos hasta 60 minutos en los experimentos 3 y 4. Un riesgo de esta estrategia es que, pasado el tiempo en que la ketamina produce sus efectos conductuales, desaparezca también su efecto como antagonista NMDA. Sin embargo, como veíamos en el capítulo II,
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hay datos que muestran que los efectos antagonistas NMDA de la ketamina duran bastante más tiempo que sus efectos atáxicos o hiperlocomotores. Una segunda estrategia para controlar los efectos motores de los efectos sobre el aprendizaje es precisar este efecto a la misma dosis y tiempo de recuperación a los empleados en la situación de aprendizaje. En caso de obtener un deterioro en el aprendizaje sin que haya signos de alteraciones motoras puede excluirse que los efectos obtenidos en la tarea de aprendizaje se deban a efectos motores del fármaco. Recordemos que una estrategia similar ha sido empleada por Pallarés et al. (1995), quienes estudiaron la conducta de las ratas sobre un campo abierto y un plano inclinado bajo las mismas condiciones farmacológicas en que estudiaron el efecto sobre la adquisición de una tarea de presión de palanca. Una medida motora independiente de la medida de aprendizaje es la mejor opción cuando interesa conocer cada uno de los efectos de forma independiente. Sin embargo, no se garantiza que las demandas motoras de la situación de aprendizaje sean las mismas que las demandas de la prueba motora. Por ejemplo, teniendo en cuenta que la estereotipia es típica en los antagonistas NMDA (ver capítulo II), podría ocurrir que una conducta fácilmente estereotipable como presionar la palanca fuera afectada por la ketamina, en tanto que las conductas medidas en el campo abierto o en el plano inclinado no lo fueran. Así, si lo que interesa es conocer el grado en que el efecto motor de la ketamina afecta a la respuesta de presión de palanca, una alternativa más adecuada consistiría en medir directamente esa respuesta bajo el efecto de la ketamina. Aunque esta medida sobre los efectos motores no tiene el grado de generalización a otras conductas que un conjunto de medidas obtenidas en un campo abierto, es la que mejor sirve al objetivo de conocer el efecto motor del fármaco sobre la conducta meta. En nuestros experimentos, en los que la conducta meta es la entrada al comedero, medimos las entradas al comedero en ausencia del EC para conocer el efecto de la ketamina sobre esta conducta. Derivada de la anterior, una tercera estrategia para aislar los efectos motores de la ketamina de sus efectos sobre el aprendizaje es que la medida de los efectos motores sirva como control intrasujeto de la medida de aprendizaje. De esta forma se estaría controlando no sólo el diferente efecto motor que puedan tener distintas dosis del fármaco, sino el que pueda tener una misma dosis en diferentes sujetos. De hecho, un control de este tipo es el que se lleva a cabo en el condicionamiento de la respuesta emocional condicionada mediante la medida de supresión condicionada, donde la diferente tendencia a presionar la palanca de cada sujeto queda
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neutralizada en la razón de supresión42. La razón de supresión da, finalmente, un índice de aprendizaje limpio de las diferentes tendencias a responder que suelen mostrar ratas distintas. Un control intrasujeto como éste es particularmente adecuado cuando se estudia el efecto sobre el aprendizaje de un fármaco con efectos motores a través de una respuesta que presente demandas motoras claras. En nuestro procedimiento, un control de este tipo puede hacerse de manera similar a la supresión condicionada, dado que la conducta meta está bien definida: la entrada al comedero. Así, podemos medir las entradas al comedero durante el periodo de duración del EC en relación con las entradas en un periodo de tiempo previo a éste de igual duración. Esta razón supone una medida de aprendizaje limpia de los efectos motores que pueda producir el fármaco sobre las entradas al comedero. Esta es la medida de aprendizaje que empleamos en nuestros experimentos.
2.2. El aprendizaje dependiente de estado Hay otro punto que merece ser tenido en consideración para estudiar los efectos de un fármaco sobre el aprendizaje: el aprendizaje dependiente de estado (SDL). El siguiente relato hace referencia al primer caso descrito de SDL inducido por drogas e ilustra el fenómeno: El Dr. Abel me informó sobre el portero irlandés de un almacén, que olvidaba, cuando estaba sobrio, lo que había hecho cuando estaba borracho; pero cuando estaba borracho, de nuevo recordaba lo ocurrido en su estado anterior de intoxicación. En una ocasión, estando borracho, perdió un paquete de algún valor, y en sus momentos sobrios no pudo dar cuenta de él. La siguiente vez que estuvo intoxicado, recordó que había dejado el paquete en cierta casa, y no habiendo ninguna dirección en el paquete, permaneció allí hasta que fue a recogerlo. (Combe, 1835, p. 389).
Considerando el relato, el SDL puede ser descrito como un detrimento en el recuerdo consecuencia de un cambio en el estado interno, que es diferente en el momento del entrenamiento y el momento de la recuperación. Este detrimento del recuerdo no implica un deterioro de la huella de memoria, ni un deterioro permanente de la recuperación, ya que cuando el estado interno en el momento de la recuperación vuelve a ser el mismo que el del momento del entrenamiento, el detrimento desaparece. Más bien, los diferentes estados internos pueden ser concebidos como contextos diferentes, pudiendo considerarse el detrimento en la recuperación propio del SDL un ejemplo de control contextual (Overton, 1985). 42
La razón de supresión es A/(A+B), donde A representa las presiones de palanca durante el periodo en que el EC está activo y B las presiones de palanca en un periodo de igual duración inmediatamente anterior.
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Los estados internos propios del SDL están habitualmente, aunque no exclusivamente, inducidos por drogas. Así, en el contexto del estudio farmacológico del aprendizaje y la memoria, el control de los efectos del SDL es de gran importancia, ya que pueden confundirse los efectos amnésicos de un fármaco con su capacidad para producir un estado interno. Este riesgo es particularmente importante cuando la situación de entrenamiento y de prueba se producen en fases diferentes y se administra el fármaco sólo en una de ellas para estudiar sus efectos, bien sobre la adquisición (droga a no-droga), bien sobre la recuperación (no-droga a droga). En estos casos, un detrimento en la ejecución no está a salvo de una explicación en términos de SDL. Cuando el contexto interno está causado por un fármaco, el SDL puede ser simétrico (droga a no-droga, y no-droga a droga), o asimétrico. Cuando el SDL es asimétrico, usualmente se produce en la dirección droga a no-droga, pero no al contrario (Overton, 1968, 1985). Ya directamente con ketamina, algunos trabajos han mostrado la existencia de SDL asimétrico en el condicionamiento de aversión al sabor cuando los animales son entrenados bajo el efecto de ketamina y evaluados en su ausencia, pero no al contrario (Aguado et al., 1994, con 25 mg/kg de ketamina). Obviamente, una forma de hacer disminuir o desaparecer el efecto de SDL es utilizar dosis del fármaco menores, o aumentar el tiempo entre la administración del fármaco y el entrenamiento. Así, en otro trabajo con condicionamiento de aversión al sabor, una menor dosis de ketamina no produjo efectos de SDL (Oberling, Di Scala y Sandner, 1996, con 6 mg/kg de ketamina). En los estudios farmacológicos sobre adquisición del aprendizaje, una manera de evitar el problema del SDL es que la medida del aprendizaje se realice en la misma fase que el entrenamiento. Esta estrategia es la que seguimos en nuestros experimentos. Cada ensayo de condicionamiento es también un ensayo de prueba, midiéndose las entradas al comedero durante el periodo de duración del EC, que en su integridad es previo a la aparición del EI. De esta manera el estado interno generado por el fármaco no varía entre la situación de entrenamiento y la de recuperación. Sin embargo, expusimos en el capítulo IV que un problema en relación a las tareas de MT es que la coincidencia de entrenamiento y prueba en la misma fase dificultan distinguir los efectos amnésicos de los efectos sensoriomotores del fármaco. En nuestro procedimiento este problema desaparece, al incluir la medida de condicionamiento un control intrasujeto de estos efectos, como ya hemos expuesto. Por otro lado, evitar el efecto de SDL en experimentos sobre la recuperación empleando el mismo sistema no es posible, ya que la propia naturaleza de estos estudios requiere una fase de entrenamiento en la que se produzca la adquisición, y 374
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una segunda fase de prueba en la que se estudie la recuperación bajo los efectos del fármaco. En estos estudios, en el caso de obtener efectos se requieren controles adicionales para excluir una interpretación en términos de SDL. En todo caso, cuanto menor sea la dosis del fármaco, o mayor sea el tiempo de recuperación entre la administración del fármaco y la prueba, menor será la probabilidad de que exista un estado interno inducido por el fármaco.
3. Método general En este apartado se recogen los detalles metodológicos coincidentes para los cuatro experimentos.
3.1. Sujetos Se utilizaron ratas Wistar macho (Charles River). Al llegar al laboratorio los animales eran alojados en jaulas individuales (Tecniplast de 367x 207x 140 mm) donde recibían comida (pienso para ratas y agua ad libitum). Alcanzada la estabilidad en el peso, se iniciaba un programa gradual de privación de comida que se describe en procedimiento. El animalario se mantuvo a una temperatura aproximada de 20ºC y un temporizador se encargaba de establecer el ciclo de luz-oscuridad (el periodo de luz de 8:00 a 21:00 horas).
3.2. Fármacos El fármaco administrado fue ketamina (ketamina hidrocloruro, Sigma Chemicals). La disolución se confeccionó a partir del fármaco en polvo y cloruro sódico (0.9%, Sigma). Los grupos control fueron inyectados directamente con cloruro sódico (ClNa). Las proporciones de la disolución fueron 1200 mg. de ketamina disueltos en 60 ml. de ClNa, de manera que cada ml. de disolución contenía 20 mg. del fármaco. La siguiente fórmula, resultado de desarrollar una regla de tres, servía para calcular el volumen de disolución a inyectar por cada animal considerando su peso y la dosis:
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V = D x P / C. donde, V = volumen a inyectar (en ml). D = dosis del fármaco (en mg/kg). P = peso de la rata (en kg). C = concentración de la disolución (en mg/ml).
3.3. Aparatos El condicionamiento se llevó a cabo en 8 Cajas de Skinner idénticas (modelo LE 836, Letika Instruments), controladas en paralelo por un ordenador (Fujitsu 80286). El programa de control de las Cajas de Skinner fue escrito al efecto en lenguaje C. Asimismo, se crearon diversos programas en lenguaje Basic para procesar la salida de datos de las cajas. Todas las cajas estaban situadas en cámaras cerradas que las aislaban tanto acústica como lumínicamente del medio y que estaban provistas de un ventilador generador de ruido blanco. En el interior de esas cámaras, pero en el exterior de las cajas se instaló una bombilla (40 watios) a fin de poder ser utilizada como estimulación luminosa no localizada. Estas Cajas de Skinner son rectangulares, siendo sus paredes largas y el techo de metacrilato y las paredes cortas de aluminio. Las dos paredes cortas son modulares (3x3 piezas cuadradas conforman la pared), de forma que la configuración de palancas, luces, etc. puede ser cambiada. Una de esas paredes era simplemente de aluminio. La opuesta se describe a continuación. Teniendo en cuenta que las piezas forman una matriz 3x3, en la posición 3x2 (abajo, centro) estaba situado el comedero, en las posiciones 3x1 y 3x3 había dos palancas retráctiles, en las posiciones 2x1 y 2x3 dos luces, situándose un altavoz en la posición 1x2. Todas estas piezas quedaban camufladas en el panel de aluminio. Durante todo el experimento, las palancas fueron retiradas. El suelo estaba formado por las rejillas, bajo las cuales había serrín. Los comederos utilizados en los experimentos 1 y 2 fueron diferentes de los utilizados en los experimentos 3 y 4. Los empleados en los dos primeros experimentos fueron confeccionados artesanalmente para la ocasión, ya que los comederos convencionales suministrados por Letika no permitían el registro de la respuesta de entrada al comedero. El comedero diseñado consistía en una abertura en el panel por la que cabía el hocico de la rata y tras la que se encontraba un espacio cuadrado (3 cm por 3 cm aprox.) en el que había una pequeña depresión con forma circular donde caían las bolitas de comida. Una fotocélula detectaba cualquier pequeño movimiento del hocico del animal en el interior del comedero. Los comederos empleados en los experimentos 3 y 4 fueron fabricados por Letika. En 374
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ellos el interior del comedero (similar al anterior) no era accesible más que empujando una trampilla cuyo eje estaba en la parte superior. Empujada la trampilla hasta una determinada posición, un dispositivo electromecánico registraba una respuesta. Una importante diferencia en los registros de ambos comederos es que el primero era sensible a cualquier pequeño movimiento del hocico en el interior del comedero, en tanto que el segundo sólo registraba una respuesta al acceder la rata al comedero.
3.4. Procedimiento Privación. La privación de comida comenzaba cuando los animales se estabilizaban en peso tras su llegada al laboratorio. El objetivo era que se situaran en el 80% de su peso ad libitum. Cada día las ratas eran pesadas y en función de su peso se les asignaba una ración de comida (en gramos). En unos 15 días desde el inicio de la privación se conseguía estabilizar el peso en el 80% del peso ad libitum. En ese momento empezaba el experimento. Durante todo el experimento las ratas y la comida eran pesadas diariamante con objeto de mantenerlas en el peso. Entrenamiento previo. Con el fin de reducir la conducta de exploración durante el condicionamiento, que puede interferir con la adquisición del aprendizaje, y de que los animales conocieran la localización del comedero, en el día 0 se introdujo a los animales en las cajas durante 20 minutos, dejando 10 bolitas de comida en el comedero disponibles desde el principio. Tras comprobar que todas las bolitas habían sido comidas, se volvía a colocar a las ratas en las cajas durante otros 20 minutos dispensándose una bolita de comida a un intervalo variable de 2 minutos. Si algún animal no consumía las bolitas en alguna fase, ésta era repetida hasta que lo hiciera. Los segundos 20 minutos tenían el objetivo adicional de que el animal asociara el sonido característico del dispensador de bolitas de comida con la propia bolita. Finalizado el entrenemiento las ratas fueron clasificadas en bloques según su dificultad en superar la tarea, asignándose los sujetos de cada bloque aleatoriamente a los diferentes grupos. Al día siguiente comenzaba el condicionamiento. Administración del fármaco. La ketamina fue inyectada intraperitonealmente, en una habitación diferente a la experimental, permaneciendo los sujetos en ella en oscuridad hasta el momento de la prueba. Se dejó un tiempo entre la administración del fármaco y la experiencia de condicionamiento, con objeto de que desaparecieran los efectos motores propios de la ketamina. Este tiempo fue diferente para cada dosis y se explicita en cada experimento.
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PLP y aprendizaje: Efectos de la ketamina sobre el condicionamiento clásico
3.5. Análisis estadísticos En cada experimento se comprobaron, para las diferentes variables dependientes los supuestos de normalidad y homocedasticidad con objeto de realizar un Análisis de Varianza (ANOVA) paramétrico. En caso de producirse violación de los supuestos se realizaron análisis no paramétricos. Este tipo de análisis no permite la consideración de un factor de medidas repetidas ni estudiar efecto de interacción. Así, la lógica de los análisis ha sido algo diferente en un caso y en otro. Todos los análisis se realizaron con el SPSS/PC 4.0. Como criterio estadístico para alcanzar diferencias significativas se tomó un nivel de significación =0.05. No obstante, se han considerado también en la interpretación de los resultados, a nivel de tendencia estadística, niveles de significación 0.1), efecto de bloques (F[4,112]=2.85; p