Context
Un engrama és un concepte de la neurociència que fa referència a la petjada física o biològica d’un record al cervell. És a dir, el conjunt de canvis que es produeixen en determinades neurones i connexions neuronals quan aprenem alguna cosa o vivim una experiència.
Què és un engrama?
Amb les experiències noves, certes neurones s’activen juntes i es modifiquen les connexions entre elles (sinapsis) amb els diferents mecanismes de plasticitat descrits en capítols anteriors. El patró resultant queda emmagatzemat en l’encèfal. Si més endavant aquest patró es reactiva, recuperem el record associat. El terme engrama descriu aquest substrat físic de la memòria.
Un exemple que impliqui circuits variats, pot ser aprendre a tocar un instrument com el piano o aprendre a anar en bicicleta. L’encèfal crea canvis en diverses xarxes neuronals relacionades amb l’equilibri, el moviment i la coordinació que constitueixen l’engrama associat a aquestes habilitats. Anys després, pots tornar a pujar a una bicicleta i recordar com fer-ho perquè aquest engrama encara existeix.
El terme va ser popularitzat a principis del segle XX pel biòleg alemany Richard Semon, que va proposar que tota experiència deixa una marca persistent al sistema nerviós. Durant dècades va ser una idea teòrica, però les tècniques modernes han permès identificar certs grups de neurones que participen en la formació i recuperació de records.
En models experimentals es poden marcar les neurones que s’activen durant un determinat aprenentatge amb proteïnes i altres marcadors fluorescents. Posteriorment i amb tècniques optogenètiques, es poden activar aquestes neurones específiques amb llum. Si activar aquest grup de neurones fa que l’animal experimental es comporti com si recordés l’experiència original, això és una evidència que formen part de l’engrama corresponent a l’experiència de l’aprenentatge.
Així és que un engrama és la representació física d’un record al cervell, la «traça» neuronal que permet emmagatzemar i recuperar informació.
On es localitzen els engrames al cervell?
Els engrames no es localitzen com si fossin un arxiu en una sola part del cervell. Un engrama és una xarxa de neurones distribuïdes que s’activen conjuntament per codificar un record. Un engrama existeix en la combinació coordinada de moltes neurones. Les neurones d’un engrama es poden localitzar de forma distribuïda en diferents regions encefàliques segons el tipus de memòria. En l’Hipocamp es troben neurones implicades en el registre de records recents i memòria episòdica. Neurones del còrtex cerebral participen en records consolidats a llarg termini. Diferents tipus d’informació es distribueixen en diferents zones corticals. Per exemple el còrtex temporal s’involucra en el significat de les percepcions i reconeixement d’objectes mentre que el còrtex prefrontal intervé en l’organització i recuperació conscient dels records.
També, neurones de l’amígdala registren records associats a emocions mentre que el cerebel i ganglis basals s’impliquen en el registre d’habilitats motores i hàbits.
Un record determinat pot involucrar simultàniament a l’hipocamp (què va passar), a l’amígdala (que es va sentir), a les àrees visuals (què es va veure i observar), a les àrees auditives (què es va sentir) entre altres participacions neuronals. No és difícil imaginar com les neurones de totes aquestes regions encefàliques intervenen en el record, per exemple, d’un viatge, amb el còrtex prefrontal guiant la reconstrucció conscient del record.
L’engrama complet està repartit entre totes aquestes regions. Així doncs, un record no està guardat en una sola neurona ni en un únic lloc, sinó en un patró d’activitat i connexions entre moltes neurones. Quan aquest patró es reactiva, emergeix el record. Diverses regions cerebrals participen en la formació, l’emmagatzematge i la recuperació dels engrames. La regió concreta depèn del tipus de memòria.
Com interactuen aquestes regions entre si
Les diferents regions implicades en un engrama interactuen mitjançant xarxes de neurones connectades.
1. Durant la formació d’un record, les àrees sensorials relacionades processen els estímuls, l’amígdala avalua la importància emocional de l’experiència i l’hipocamp integra totes aquestes informacions en una representació coherent de l’esdeveniment.
2. Per a la consolidació del record durant el son, l’hipocamp «reprodueix» els patrons d’activitat neuronal que van aparèixer durant l’aprenentatge per facilitar la transferència progressiva d’informació cap al còrtex cerebral i enfortir les sinapsis. És com si l’hipotàlem i el còrtex repassessin entre ells les experiències importants del dia definides així, com a rellevants, per l’amígdala emocional. Un record d’infància pot continuar existint encara que l’hipocamp estigui deteriorat perquè gran part de l’engrama ja està establert al còrtex.
3. Durant la recuperació del record, un senyal (normalment veure o sentir) activa una part de l’engrama i l’hipocamp i el còrtex prefrontal ajuden a reconstruir el record reactivant les mateixes xarxes distribuïdes que van participar en l’experiència original. Tanmateix, quan recuperem un record l’engrama s’activa i es torna flexible poden incorporar informació nova. Els records no són reconstruccions exactes del passat, sinó reconstruccions dinàmiques que poden canviar lleugerament amb el temps i fer-nos veure una situació diferent d’allò que realment va passar.
Diferències entre records conscients i inconscients
Cal distingir entre memòria explícita (conscient) i memòria implícita (inconscient o no declarativa). Cadascuna depèn de xarxes cerebrals parcialment diferents.
Els records conscients (memòria explícita) es poden evocar i descriure voluntàriament. Impliquen principalment a l’hipocamp i al còrtex temporal i prefrontal i els podem qualificar de memòria episòdica (experiències personals) i memòria semàntica (coneixements i conceptes). Sembla que l’hipocamp no és un magatzem de records com més aviat l'»índex» que permet reunir les diverses peces distribuïdes pel cervell. Les imatges del record estarien en àrees visuals, els sons en les auditives i les emocions associades a l’amígdala. L’hipocamp sembla actuar com un sistema d’enllaços que permet reconstruir l’experiència completa.
Els records inconscients (memòria implícita), es poden utilitzar en el comportament sense adonar-se’n i poder explicar verbalment com es fa, com anar en bicicleta. Aquesta memòria implica als ganglis basals, el cerebel i sovint l’amígdala.
Els dos tipus de memòria tenen engrames, perquè tots dos impliquen canvis físics en les connexions neuronals. La diferència està en el fet que els engrames explícits són accessibles a la consciència i solen involucrar fortament l’hipocamp i el còrtex cerebral. L’aprenentatge conscient i l’inconscient utilitzen circuits diferents encara que la distinció entre conscient i inconscient no és rígida. En recordar un esdeveniment, una part és plenament conscient, mentre que altres components del mateix engrama poden influir en el comportament sense ser-ne conscient.
Mecanismes cel·lulars i moleculars d’un engrama
Els mecanismes cel·lulars i moleculars d’un engrama són els processos que converteixen una experiència en un canvi físic i persistent dins de l’encèfal. Intervenen tots els elements i mecanismes descrits en els capítols anteriors basats en la recepció, integració, conducció i transmissió plàstica de senyals elèctrics en certes neurones seleccionades.
1. Selecció de les neurones de l’engrama. En el moment d’una percepció o experiència, no totes les possibles neurones disponibles participen en la formació del corresponent engrama. Sembla clar que, entre les sol·licitades en els circuits implicats en la percepció, les neurones més excitables (capaces d’arribar al llindar i disparar potencials d’acció en aquell moment) tenen més probabilitats de ser reclutades. Un factor important és el nivell i activitat del factor de transcripció CREB (cAMP Response Element-Binding Protein) que activa gens relacionats amb la plasticitat neuronal, per exemple els de neurotrofines com el BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor, factor neurotròfic derivat del cervell) que veurem més endavant.
2. Plasticitat sinàptica. La base principal d’un engrama és la modificació de les connexions entre neurones. Hem vist en capítols anteriors el concepte Hebbià que les «Neurones que s’activen juntes reforcen les seves connexions» amb els mecanismes de potenciació a llarg termini (Long-Term Potentiation, LTP) acompanyats dels mecanismes més immediats i operatius de regulació autocrina i paracrina sinàptics. Quan una neurona activa repetidament una altra, augmenta l’eficàcia de la transmissió i es reforça la connexió funcional a curt i llarg termini.
Pel que fa a la potenciació de llarga durada de les connexions, la presència dels receptors NMDA i AMPA al transmissor excitador glutamat és essencial. Especialment, com ja hem vist anteriorment, els receptors NMDA que actuen com a detectors de coincidència, ja que només s’activen (s’obren permeten l’entrada de Ca²⁺) quan la neurona està prou despolaritzada prèviament per l’acció d’una altra o altres sinapsis, permeten l’associació funcional de totes elles.
L’entrada de calci és el senyal que inicia la neurotransmissió i molts processos de consolidació de la memòria. El calci que entra a la neurona activa directament o indirectament nombroses proteïnes i enzims com la proteïna cinasa A (PKA) que, entre altres accions més immediates, promou l’activació de programes genètics associats amb la memòria. Ho fa en activar (fosforilar) el factor de transcripció CREB abans esmentat i la producció de diferents neurotrofines com el BDNF (Brain derived neurotrofic factor) que afavoreix el creixement, la supervivència, la persistència i l’enfortiment de les sinapsis.
Tanmateix, un engrama no és només un canvi funcional (i molecular) perquè també es produeixen modificacions físiques com la formació de noves espines dendrítiques i la remodelació de les xarxes neuronals. Els records més estables solen associar-se a canvis duradors en aquestes estructures.
En resum, un engrama és el resultat de diversos nivells de canvis biològics com:
a) Canvis neuronals, amb la selecció d’un conjunt específic de neurones.
b) Canvis sinàptics de potenciació, depressió o debilitament i silenciament de connexions.
c) Canvis moleculars amb l’activació de receptors (NMDA, AMPA), cinases (PKA, i la proteïna CaMKII -Calcium-Calmodulin Kinase II- especialment), factors de transcripció o interruptors genètics (CREB i altres com SRF i c-Fos), neurotrofines (BDNF i altres) i els seus receptors (p75 i TrkB particularment).
d) Canvis genètics: i expressió de gens relacionats amb la plasticitat.
e) Canvis estructurals amb la formació de noves espines dendrítiques i sinapsis i remodelat de circuits. Aprendre literalment modifica l’estructura física del cervell.
f) Canvis sistèmics de coordinació entre hipocamp i còrtex durant la consolidació.
Quin paper juga BDNF en la memòria?
El BDNF és una de les molècules més importants per a la memòria i l’aprenentatge. Quan les xarxes neuronals s’activen repetidament augmenta la producció i l’alliberament de BDNF en les sinapsis. El resultat és l’enfortiment i estabilització de les connexions.
Aquest fenomen ocorre en diferents tipus de sinapsis com per exemple les colinèrgiques neuromusculars on el BDNF secretat per les cèl·lules musculars és potser el principal factor retrograd que millora el funcionament presinàptic (la neurosecreció) i fins i tot és transportat al soma neuronal on modula l’expressió genètica en el nucli de la motoneurona. En les sinapsis glutamatèrgiques (que són a prop del 90% de les excitadores en l’encèfal), l’activació del receptor NMDA i l’entrada de Ca²⁺ (com hem vist en els capítols 12 i 15 anteriors), resulta, entre una complexa senyalització, en la secreció postsinàptica de BDNF que també actua retrogradament sobre la neurona presinàptica.
El mecanisme implica que el BDNF s’uneix al receptor TrkB (tropomyosin receptor kinase B) presinàptic, que desencadena els canvis moleculars que reforcen la sinapsi. Això fa que la connexió entre dues neurones sigui més eficient i més duradora. Es pot retenir una informació durant uns minuts sense grans modificacions estructurals, perquè un record duri dies, mesos o anys, però, cal la participació de l’expressió de gens, la síntesi de noves proteïnes i la remodelació dels circuits neuronals. El BDNF participa en cadascun d’aquests processos.
L’hipocamp és una de les regions cerebrals amb nivells més elevats de BDNF. Hem vist que en l’Hipocamp es troben neurones implicades en el registre de records episòdics i després insisteix a reproduir els patrons d’activitat per promoure la transferència progressiva d’informació cap al còrtex cerebral. Es considera que el BDNF és fonamental en la formació i consolidació dels engrames hipocampals.
El BDNF també participa en la reconsolidació, ajudant a reforçar els records originals i incorporar informació nova actualitzant diferents aspectes dels records que no són còpies estàtiques, sinó representacions dinàmiques que evolucionen. Els engrames a llarg termini no es formen d’un sol cop. Una experiència inicial desencadena una sèrie de processos que poden durar des de minuts fins a mesos o anys, transformant un patró d’activitat neuronal temporal en una estructura relativament estable, amb una certa capacitat d’adaptació en el temps, però.
En resum, si haguéssim de destacar uns pocs actors centrals en la consolidació de la memòria que transformin plegats una experiència momentània en un record persistent podrien ser el receptor NMDA que detecta l’associació d’estímuls i facilita l’aprenentatge, l’ió Ca²⁺ que és el senyal intracel·lular, el factor de transcripció CREB que activa programes genètics i la senyalització BDNF/TrkB que estabilitza i reforça l’engrama.
Sembla que alguns pacients amb Alzheimer presenten una certa reducció dels nivells de BDNF al cervell amb disminució de la senyalització a través del receptor TrkB. La malaltia d’Alzheimer es caracteritza principalment per l’acumulació de dipòsits de beta-amiloide (Aβ) i l’agregació anormal de la proteïna tau. Aquestes alteracions podrien reduir l’expressió de BDNF i interferir amb el seu transport i funcionament. Amb la disminució de la senyalització del BDNF, els engrames nous podrien formar-se amb dificultat i els existents esdevenir menys estables. Això podria contribuir als problemes de memòria característics de la malaltia.
Exemples concrets d’engrames
Un engrama no és necessàriament un record autobiogràfic; pot correspondre a una habilitat, una emoció, una associació o un coneixement. Per exemple:
1. El record d’un aniversari
En veure una fotografia d’aquell dia, es reactiva part de l’engrama que pot incloure la imatge del pastís (còrtex visual), les veus cantant “aniversari feliç” (còrtex auditiu), la sensació d’alegria (amígdala) i el lloc i moment on va passar (hipocamp).
2. Aprendre a anar en bicicleta
És un exemple d’engrama de memòria de procediment que implica ajustos de l’equilibri, coordinació muscular i correccions automàtiques dels moviments amb la participació del cerebel dels ganglis basals i de l’escorça motora. Malgrat el pas dels anys, es pot recuperar l’engrama i l’habilitat.
3. Un sentiment de por
Si alguna vegada ens va espantar un gos, només sentir un lladruc pot activar una resposta emocional automàtica de por involucrant a l’amígdala, l’hipocamp (context de l’experiència) i les àrees sensorials. És un exemple de memòria emocional.
4. L’olor d’un plat de la infància
Pot evocar immediatament el record de la cuina de casa. Els potents circuits olfactius tenen connexions directes amb l’amígdala i l’hipocamp provocant records especialment intensos. En el decurs de l’evolució el desenvolupament de l’olfacció ha estat rellevant en la supervivència dels individus i espècies. Això ho confirma el gran desenvolupament de les regions més antigues del sistema nerviós actualment, l’anomenat Arquipal·li (el sistema límbic) i el Paleopal·li (còrtex olfactiu) de 3 capes neuronals. I també l’existència de més de 1000 gens comissionats per a produir receptors capaços de detectar milers de diferents substàncies odorants en les cèl·lules neurosensorials de la mucosa olfactòria.
5. Tocar una melodia al piano
Un pianista no pensa conscientment en cada dit en tocar perquè els engrames activats inclouen patrons automàtics de seqüències motores, la sincronització temporal i la memòria auditiva de la melodia, com a mínim. Hi participen el cerebel, els ganglis basals, l’escorça motora i l’escorça auditiva.
Així és que un engrama pot ser des d’un fet simple, una experiència complexa, una habilitat o una emoció condicionada. Tots són patrons estables de canvis neuronals que permeten que una experiència del passat influeixi en el present.