¿Cómo aprende el cerebro? Una nueva investigación saca a la luz sus secretos más íntimos

Cada vez que aprendes algo nuevo, tu cerebro reescribe su propio mapa interno. Un descubrimiento reciente revela que las neuronas siguen múltiples reglas a la vez, una estrategia que cambiando todo lo que la neurociencia creía saber sobre el aprendizaje.

Por Enrique Coperías

Durante el aprendizaje, por ejemplo, de la ajedrez, las neuronas no siguen un único conjunto de reglas, sino que aplican múltiples normas en distintas regiones del cerebro, un descubrimiento que podría transformar el estudio de los trastornos cerebrales, el comportamiento y el desarrollo de la inteligencia artificial. Imagen generada con DALL-E

¿Cómo aprendemos algo nuevo? ¿Qué ocurre en nuestra sesera cuando memorizamos la letra de una canción, dominamos las tareas de un nuevo trabajo o seguimos unas indicaciones para llegar a casa de un amigo?

En esencia, nuestro cerebro se adapta para incorporar la nueva información. Para adoptar un comportamiento inédito o retener lo aprendido, la circuitería cerebral experimenta cambios profundos.

Estos ajustes suceden a través de miles de millones de sinapsis —las conexiones entre neuronas—, donde se produce la comunicación cerebral. En un proceso minuciosamente coordinado, la llegada de nueva información fortalece algunas sinapsis y debilita otras.

Cómo se gestionan las sinapsis

Aunque los neurocientíficos han identificado numerosos procesos moleculares que intervienen en esta llamada plasticidad sináptica, todavía se desconocen las reglas que deciden qué sinapsis se modifican, se conservan o se destruyen, un enigma que determina cómo se almacena el aprendizaje en el cerebro.

Ahora, los neurobiólogos William Jeik Wraight, Nathan Hedrick y Takaki Komiyama, de la Universidad de California en San Diego, han dado un paso crucial para resolver este misterio. Su trabajo, respaldado por becas de los Institutos Nacionales de Salud estadounidenses y una beca de formación, abre nuevas perspectivas sobre cómo se gestiona el proceso de aprendizaje a nivel neuronal.

Según publica la revista Science, los investigadores emplearon una técnica pionera de visualización cerebral, basada en imágenes de dos fotones, para rastrear en tiempo real la actividad de sinapsis y neuronas en ratones en pleno proceso de aprendizaje.

Contemplar una sinapsis de forma individual

Recordemos que la técnica de microscopía de excitación de dos fotones permite, a grandes rasgos, observar estructuras microscópicas del cerebro en tiempo real, utilizando pulsos de luz infrarroja de baja energía que excitan moléculas fluorescentes. A diferencia de otras estrategias de imagen, esta metodología permite obtener imágenes detalladas a gran profundidad en tejidos vivos, con un daño mínimo, lo que la hace ideal para estudiar procesos dinámicos como el aprendizaje sin alterar el funcionamiento normal del encéfalo.

Gracias a la capacidad de esta tecnología microscópica para observar sinapsis individuales con una precisión inédita, Wright, Hedrick y Komiyama descubrieron que las neuronas no se rigen por un único conjunto de normas durante el aprendizaje, como se pensaba, sino que cada una puede aplicar múltiples reglas en distintas áreas encefálicas.

Este hallazgo podría revolucionar campos tan variados como el estudio de los trastornos cerebrales y del comportamiento o la inteligencia artificial.

Las neuronas y sus prolongaciones conocidas como dendritas aparecen en esta imagen microscópica de la corteza cerebral de un ratón. Cortesía: Komiyama Lab /UC San Diego

De axones a dendritas

«Cuando se habla de plasticidad sináptica, normalmente se considera un evento uniforme dentro del cerebro—explica Wright en un comunicado de la Universidad de California en San Diego. Y añade—: Nuestra investigación proporciona una comprensión más clara de cómo se modifican las sinapsis durante el aprendizaje, con implicaciones potencialmente importantes para la salud, ya que muchas enfermedades del cerebro implican alguna forma de disfunción sináptica».

Llegados a este punto hay que decir que las sinapsis son las estructuras que conectan las neuronas en redes funcionales. Una sinapsis es el punto de conexión donde una neurona transmite señales, esto es, información, a otra célula. La comunicación ocurre sin contacto físico entre el axón de la neurona emisora, que envía la señal, y las dendritas o el cuerpo celular de la neurona receptora, que la recibe.

En este pequeño espacio, llamado hendidura sináptica, ocurre la magia de la comunicación neuronal: las señales eléctricas se transforman en señales químicas mediante la liberación de neurotransmisores, lo que facilita que la información viaje a través del sistema nervioso.

Como las hormigas de un hormiguero

El equipo también abordó un antiguo rompecabezas sin resolver de la neurociencia conocido como el problema de la asignación de créditos: cómo sinapsis con acceso solo a información local pueden contribuir a formar comportamientos amplios y coordinados. Este dilema se compara al trabajo de cada hormiga en el hormiguero en el sentido de que ningún insecto conoce los planes de toda la colonia, pero cada hormiga cumple tareas específicas que benefician al conjunto.

El descubrimiento de que las neuronas pueden seguir varias reglas al mismo tiempo sorprendió incluso a los propios investigadores. Los métodos avanzados de visualización les permitieron ver, como nunca antes, las entradas y salidas neuronales mientras se producían los cambios.

Komiyama, autor principal del estudio y profesor en los Departamentos de Neurobiología y Neurociencias de la citada universidad, así como en el Instituto Halıcıoğlu de Ciencia de los Datos y el Instituto Kavli para el Cerebro y la Mente, declara que «este descubrimiento cambia radicalmente la forma en que entendemos cómo resuelve el cerebro el problema de la asignación de créditos, con el concepto de que las neuronas individuales realizan cálculos distintos en paralelo y en compartimentos subcelulares diferentes».

Mientras los ratones aprendían un nuevo comportamiento, los investigadores siguieron de cerca las conexiones sinápticas (representadas aquí como pequeñas protuberancias) en las dendritas de las neuronas. Cortesía: Komiyama Lab / UC San Diego

Un avance para la IA

Más allá del campo de la neurociencia, estos hallazgos prometen inspirar avances en inteligencia artificial. Hasta ahora, las redes neuronales artificiales operan bajo un conjunto común de reglas de aprendizaje, pero el descubrimiento sugiere nuevas maneras de diseñar sistemas de IA más potentes utilizando múltiples reglas en una misma unidad.

En el terreno de la salud y la conducta humana, los resultados abren nuevas vías para abordar afecciones como la adicción, el trastorno de estrés postraumático, la enfermedad de Alzheimer y trastornos del neurodesarrollo, caso del autismo.

«Este trabajo está sentando unas bases potenciales para intentar comprender cómo funciona normalmente el cerebro y así poder entender mejor qué es lo que falla en estas distintas enfermedades», concluye Wright.

Ahora, el siguiente desafío es desentrañar cómo las neuronas logran aplicar diferentes reglas a la vez y qué ventajas evolutivas ofrece esta complejidad. ▪️

• Información facilitada por la UC San Diego

• Fuente: William J. Wright et al. Distinct synaptic plasticity rules operate across dendritic compartments in vivo during learning. Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads4706