Condicionamiento del parpadeo

El condicionamiento del parpadeo ( EBC ) es una forma de condicionamiento clásico que se ha utilizado ampliamente para estudiar las estructuras y mecanismos neuronales que subyacen al aprendizaje y la memoria . El procedimiento es relativamente simple y generalmente consiste en emparejar un estímulo auditivo o visual (el estímulo condicionado (EC)) con un estímulo incondicionado (EI) que provoca un parpadeo (p. ej., una suave bocanada de aire en la córnea o una descarga leve). Los organismos ingenuos producen inicialmente una respuesta incondicionada (RI) refleja (p. ej., parpadeo o extensión de la membrana nictitante) que sigue al inicio del EI. Después de muchos emparejamientos EC-EI, se forma una asociación tal que ocurre un parpadeo aprendido, o respuesta condicionada (RC), que precede al inicio del EI. ^[1] La magnitud del aprendizaje generalmente se mide por el porcentaje de todos los ensayos emparejados EC-EI que resultan en una RC. En condiciones óptimas, los animales bien entrenados producen un alto porcentaje de RC (> 90%). Las condiciones necesarias para el aprendizaje de la CR mediante parpadeo y los mecanismos fisiológicos que lo rigen se han estudiado en muchas especies de mamíferos , incluidos ratones, ratas, cobayas, conejos, hurones, gatos y seres humanos. Históricamente, los conejos han sido los sujetos de investigación más populares.

El orden en que se presentan los estímulos es un factor importante en todas las formas de condicionamiento clásico . El condicionamiento hacia adelante describe un formato de presentación en el que el EC precede al EI en el tiempo. Es decir, desde la perspectiva del sujeto de investigación, experimentar el EI depende de haber experimentado recientemente el EC. El EBC se lleva a cabo habitualmente, pero no siempre, de esta manera. Otras contingencias de estímulo incluyen el condicionamiento hacia atrás , en el que el EI viene antes del EC, y el condicionamiento simultáneo, en el que el EC y el EI se presentan al mismo tiempo. En cualquier caso, el tiempo entre el inicio del EC y el inicio del EI es el intervalo entre estímulos (IIE). Los animales suelen ser entrenados con un IIE más corto que los humanos, lo que puede dificultar las comparaciones entre especies. ^[2]

En el EBC con retraso, el inicio del EC precede al inicio del EI y los dos estímulos se superponen y coterminan, convergiendo en la corteza cerebelosa y el núcleo interpuesto. ^[3] En el EBC con traza, el EC precede al EI y hay un período libre de estímulo (intervalo de traza) entre el final del EC y el inicio del EI. Si bien ambos procedimientos requieren el cerebelo , el procedimiento de traza también requiere el hipocampo y la corteza prefrontal medial. ^{[4] [5]}

Cuando se aplica una ecografía a la córnea del ojo, la información sensorial se transmite al núcleo trigémino y se transmite tanto directa como indirectamente (a través de la formación reticular ) a los núcleos motor y abducens accesorio ( véase núcleo del nervio craneal ). La salida de estos núcleos controla varios músculos oculares que trabajan sinérgicamente para producir una respuesta de parpadeo incondicionado a la estimulación corneal (revisado, Christian y Thompson, 2003). La actividad electromiográfica (EMG) del músculo orbicular de los ojos , que controla el cierre del párpado, se considera el componente más destacado y sensible del parpadeo (Lavond et al., 1990) y, por lo tanto, es la variable dependiente derivada del comportamiento más común en los estudios de EBC.

El núcleo trigémino también envía proyecciones eferentes a la oliva inferior (IO), y esto representa la vía de los EI para el EBC. La región crítica de la IO para el condicionamiento del parpadeo es la oliva accesoria dorsal (Brodal, 1981), y las fibras trepadoras (CF) de esta región envían información sobre los EI al cerebelo (Brodal, Walberg y Hoddevik, 1975; Thompson, 1989). Las fibras trepadoras finalmente se proyectan tanto a los núcleos cerebelosos profundos como a las células de Purkinje (PC) en la corteza cerebelosa .

Los núcleos pontinos (NP) pueden soportar diferentes modalidades de EC (tono auditivo, luz, etc.) para el EBC, ya que reciben proyecciones de los sistemas auditivo, visual, somatosensorial y de asociación (Glickstein et al., 1980; Brodal, 1981; Schmahmann y Pandya, 1989; 1991; 1993). Cuando el EC es un tono, la información auditiva se recibe a través de los núcleos cocleares (Steinmetz y Sengelaub, 1992). Las PN dan lugar a axones de fibras musgosas (MF) que llevan información relacionada con CS (Steinmetz et al., 1987; Lewis et al., 1987; Thompson et al., 1997) al cerebelo a través del pedúnculo cerebeloso medio , y terminan tanto en los núcleos cerebelosos como en las células granulares (GR) de la corteza cerebelosa (Steinmetz y Sengelaub, 1992). Las células granulares dan lugar a axones de fibras paralelas (PF) que hacen sinapsis con las PC.

Dos sitios cerebelosos de convergencia de EC-EC son 1) las células de la región nuclear profunda en el cerebelo y 2) las PC de la corteza. ^[6] Además de recibir entrada convergente de EC y EC a través del PN y el IO, respectivamente, las células de los núcleos cerebelosos reciben entrada inhibidora GABA -érgica de las PC de la corteza cerebelosa. La salida del núcleo interpuesto incluye proyecciones al núcleo rojo , y el núcleo rojo envía proyecciones a los núcleos facial y abducens. Estos núcleos suministran el componente de salida motora del parpadeo reflexivo. Por lo tanto, además de ser un sitio de convergencia de estímulos, los núcleos profundos también son la estructura de salida del cerebelo.

David A. McCormick , como estudiante de posgrado del profesor Richard F. Thompson, identificó inicialmente el cerebelo como la estructura esencial para el aprendizaje y la ejecución de las respuestas condicionantes del parpadeo. Algunos científicos creen que el núcleo interpuesto es el sitio crítico para el aprendizaje, la retención y la ejecución de la respuesta condicionante del parpadeo.

La primera evidencia del papel del cerebelo en el EBC provino de McCormick et al. (1981). Encontraron que una lesión cerebelosa unilateral que incluía tanto la corteza como los núcleos profundos abolía permanentemente las RC. En estudios posteriores, se determinó que las lesiones del interposito lateral y los núcleos dentados mediales eran suficientes para prevenir la adquisición de RC en animales ingenuos (Lincoln et al., 1982) y abolían las RC en animales bien entrenados (McCormick y Thompson, 1984). ^[7] Finalmente, el uso de lesiones con ácido kainico , que destruyen los cuerpos celulares neuronales y preservan las fibras de paso, proporcionó evidencia de una región altamente localizada de células nucleares cerebelosas que son esenciales para el aprendizaje y la realización de RC (Lavond et al., 1985). La población de células críticas para el EBC parece estar restringida a un área de ~ 1 mm3 de INP anterior dorsolateral ipsilateral al ojo condicionado. Las lesiones en esta área del cerebelo interno provocan la incapacidad de adquirir CR mediante parpadeo en animales no expuestos. Además, la permanencia del efecto de la lesión localizada es notable. En animales bien entrenados, las CR eliminadas como resultado de la lesión no se vuelven a adquirir, incluso después de un entrenamiento extenso que dura más de 8 meses (Steinmetz et al., 1992). Estos resultados demuestran que una región altamente localizada del cerebelo debe estar intacta para que se produzca el aprendizaje de CR en el EBC.

La inactivación reversible del INP ha proporcionado más evidencia de su papel en el CE. Los métodos utilizados para inactivar temporalmente el tejido nervioso incluyen el uso de una sonda de enfriamiento (<10 °C) y la infusión local de Muscimol o Lidocaína . Estos métodos son ventajosos principalmente porque el experimentador puede esencialmente encender y apagar el tejido neutro, per se . El efecto de cada uno de estos protocolos de inactivación en el aprendizaje y ejecución de CR se ha probado en todo el cerebelo y las estructuras asociadas del tronco encefálico. Cuando se aplica al INP, la inactivación temporal previene por completo el aprendizaje de CR en animales ingenuos, y el aprendizaje ocurre normalmente durante el entrenamiento posterior a la inactivación (Clark et al., 1992; Krupa et al., 1993; Nordholm et al., 1993; Krupa y Thompson, 1997). Además, la inactivación del INP en animales bien entrenados produce una depresión completa de la respuesta condicionada, que vuelve a niveles de meseta cuando el INP vuelve a estar en línea (Clark et al., 1992).

Los registros de la actividad neuronal de múltiples unidades del INP de conejo durante el condicionamiento del parpadeo han sido posibles con implantes crónicos de electrodos , y han revelado una población de células que se descargan antes del inicio del CR de parpadeo aprendido y se activan en un patrón de mayor frecuencia de respuesta que predijo y modeló la forma temporal del CR conductual (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; 1986; Foy et al., 1984; McCormick y Thompson, 1984a; b; Berthier y Moore, 1990; Gould y Steinmetz, 1996). Se encontraron resultados similares en el INP de rata (Freeman y Nicholson, 2000; Stanton y Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), lo que demuestra que los circuitos subyacentes para esta forma de aprendizaje pueden conservarse en todas las especies. Aunque las muestras de actividad de una sola unidad del INP y los núcleos circundantes han revelado una multitud de patrones de respuesta durante el EBC (Tracy, 1995), muchas de las células del INP dorsolateral anterior aumentan significativamente su tasa de activación en un patrón temporal preciso que se retrasa desde el inicio del EC y precede al inicio del CR (Foy et al., 1984; Berthier y Moore, 1990). Este patrón de respuesta es indicativo de una estructura que es capaz de codificar el aprendizaje y/o ejecutar respuestas conductuales aprendidas.

Se ha propuesto que existen sitios alternativos de plasticidad sináptica críticos para el EBC aguas abajo del cerebelo. Algunos de los sitios propuestos incluyen el núcleo rojo (Tsukahara, Oda y Notsu, 1981), el núcleo trigémino y las estructuras asociadas (Desmond y Moore, 1983) o el núcleo motor facial (Woody et al., 1974). Todas estas estructuras han sido descartadas como sitios potenciales de plasticidad críticos para el aprendizaje de la CR del parpadeo (Krupa, Thompson y Thompson, 1993; Clark y Lavond, 1996; Krupa, Weng y Thompson, 1996).

En conjunto, los resultados de los estudios de lesiones, inactivación y registro neuronal parecen demostrar que la porción dorsolateral del núcleo interpuesto anterior (INP) del cerebelo, ipsilateral al ojo entrenado, es un sitio esencial para la adquisición y expresión de CR en el EBC (Lincoln et al., 1982; Lavond et al., 1984a,b). Sin embargo, estudios recientes (Nilaweera et al., 2006) encontraron que el bloqueo temporal de la salida cerebelosa impedía la adquisición normal de respuestas condicionadas. Los autores concluyeron que esta forma de aprendizaje asociativo en el sistema de parpadeo del conejo requiere aprendizaje extracerebeloso y/o aprendizaje cerebeloso que depende del funcionamiento de los bucles de retroalimentación cerebelosos.

Se sabe que dos áreas de la corteza cerebral están involucradas en el condicionamiento del parpadeo: el lóbulo HVI (Lavond et al., 1987; Lavond y Steinmetz, 1989; Yeo y Hardiman, 1992) y el lóbulo anterior ((ANT) García, Steele y Mauk, 1999). La importancia de la corteza cerebelosa en el EBC, en relación con el INP, es un tema de debate en la comunidad científica.

Varios estudios han intentado evaluar el papel de la corteza cerebelosa en el aprendizaje de CR mediante parpadeo, y los primeros estudios se centraron en grandes lesiones por aspiración de la corteza cerebelosa. Lavond y Steinmetz (1989) extirparon por completo los lóbulos HVI/HVIIa y porciones significativas de ANT, respetando el INP, y encontraron importantes déficits de adquisición. En comparación con los controles, los animales lesionados tardaron siete veces más en alcanzar el criterio de aprendizaje. Los animales con lesiones corticales alcanzaron finalmente porcentajes significativos de CR, pero las CR fueron de baja amplitud y mal sincronizadas. Finalmente, las grandes lesiones de la corteza cerebelosa después del aprendizaje no eliminan las CR aprendidas (Lavond et al., 1987). Un factor común en todos estos estudios de ablación cortical fue que se preservaron porciones de la corteza, lo que permite suponer que otras áreas de la corteza estaban compensando la pérdida de tejido.

El condicionamiento clásico de una cepa de ratones mutantes deficientes en células de Purkinje ayudó a determinar hasta qué punto las regiones intactas de la corteza cerebelosa compensaban las regiones lesionadas en los estudios mencionados anteriormente. Estos ratones nacen con PC que mueren después de aproximadamente 3 semanas de vida. Debido a que las PC son la única neurona de salida de la corteza, este modelo lesiona efectivamente toda la corteza cerebelosa. Los resultados del condicionamiento fueron similares a los de los ratones con aspiración cortical. Los ratones tardaron significativamente más en producir CR, y el momento y la ganancia de la respuesta estaban distorsionados (Chen et al., 1996). Por lo tanto, aunque los déficits de aprendizaje de CR mediante parpadeo están asociados con lesiones de la corteza cerebelosa, la estructura no parece, en última instancia, ser esencial para el aprendizaje o la retención de CR.

Los resultados de los estudios de inactivación cortical cerebelosa son similares a los informados para los estudios de lesiones. Por ejemplo, Krupa (1993) inactivó el lobulillo HVI con el agonista del receptor GABA _A Muscimol y encontró déficits de adquisición significativos, pero los animales finalmente aprendieron. Clark et al. (1997) replicaron estos resultados con una sonda de enfriamiento en HVI. Attwell, Rahman y Yeo (2001) descubrieron una interrupción similar con la inactivación de HVI. Infundieron el antagonista del receptor AMPA CNQX en HVI durante el entrenamiento de adquisición y encontraron que los conejos infundidos con CNQX no aprendieron la CR del parpadeo. Sin embargo, las infusiones de CNQX posteriores a la adquisición no afectaron la retención. Estos resultados son desconcertantes, dado que los animales finalmente aprendieron la CR del parpadeo en todos los demás estudios de lesión e inactivación cortical cerebelosa. Una razón por la que este efecto es tan fuerte puede ser que Attwell et al. (2001) entrenaron animales durante sólo 4 días en un ISI que está fuera de un rango conocido como óptimo para el aprendizaje [150–300 ms es un intervalo CS-US óptimo y la magnitud del aprendizaje disminuye a medida que aumenta el ISI (Schneiderman y Gormezano, 1964; Smith, Coleman y Gormezano, 1969)].

Los estudios de registro electrofisiológico de la corteza cerebelosa han ayudado a comprender mejor el papel que desempeñan las PC en el proceso de aprendizaje de CR mediante parpadeo. McCormick y Thompson (1984b) registraron la actividad de las PC durante el entrenamiento de parpadeo y encontraron poblaciones de células que se descargaban en un patrón aparentemente relacionado con el CR conductual, mientras que otras poblaciones de PC se descargaban en patrones que coincidían con la presentación del EC o el EI. Berthier y Moore (1986) obtuvieron resultados similares con el registro de una sola unidad de PC en el lóbulo HVI. Encontraron que las poblaciones de neuronas se activan en relación con varios aspectos del entrenamiento de parpadeo, incluida la presentación del EC y el EI y la ejecución de CR. (Berthier y Moore, 1986; Gould y Steinmetz, 1996). Recientemente, se ha encontrado una actividad de PC relacionada con el estímulo y la respuesta similar en ANT (Green y Steinmetz, 2005). Finalmente, los registros electrofisiológicos de las PC en HVI y ANT han revelado una diferencia en las respuestas generales de la población de PC. La mayoría de las PC muestran patrones excitatorios de actividad durante el condicionamiento del parpadeo en HVI (Berthier y Moore, 1986; Gould y Steinmetz, 1996; Katz y Steinmetz, 1997), y patrones inhibitorios de actividad en ANT (Green y Steinmetz, 2005).
En un estudio de registro de una sola unidad donde se demostró que las células de Purkinje individuales estaban ubicadas en el área que controla los parpadeos y recibían entrada de fibras trepadoras en presentaciones de EI, solo se encontraron respuestas inhibitorias. ^[8] En un estudio reciente de células de Purkinje caracterizadas de manera similar que fueron seguidas durante más de quince horas, se encontró que las presentaciones repetidas del CS y el EI causaron el desarrollo gradual de una pausa en el disparo de las células de Purkinje. [9 ^] Esta respuesta de pausa, llamada CR de la célula de Purkinje, también se obtuvo cuando se utilizó la estimulación directa de fibras musgosas como CS y la estimulación directa de fibras trepadoras como EI. Las presentaciones no pareadas del CS y el EI causaron la extinción de la CR de la célula de Purkinje. Cuando se reintrodujeron presentaciones emparejadas después de la extinción, las CR de las células de Purkinje reaparecieron rápidamente, reflejando el fenómeno de "ahorro" demostrado a nivel conductual. Las CR de las células de Purkinje también se cronometraron de manera adaptativa.

Se ha demostrado que los núcleos cerebelosos profundos inhiben la oliva inferior y esta inhibición probablemente cumple una función de control de retroalimentación negativa. ^[10] A medida que avanza el aprendizaje, la oliva se inhibe y se ha demostrado que esta inhibición tiene propiedades temporales que la hacen ideal para servir como señal de retroalimentación para controlar el aprendizaje. La estimulación de esta vía durante presentaciones pareadas de EC y EI provoca la extinción. Los registros de las células de Purkinje muestran que la oliva se deprime durante la RC de la célula de Purkinje. ^[11]

En conjunto, los resultados de los estudios de lesiones, inactivación y registro neuronal parecen demostrar que la corteza cerebelosa no es esencial para el aprendizaje o la retención de la RC básica mediante parpadeo, pero que contribuciones significativas de la corteza subyacen al aprendizaje normal.

Se ha planteado la hipótesis de que la depresión a largo plazo (LTD) en la sinapsis PF-PC tiene consecuencias funcionales significativas para el aprendizaje de la CR conductual en el EBC (Ito, 1984). Por ejemplo, como resultado del entrenamiento, las células INP se descargan antes de la ejecución de la CR y se activan en un patrón de mayor frecuencia de respuesta que predice la forma temporal de la CR conductual (McCormick y Thompson, 1984). Este patrón de actividad indica claramente que el INP es capaz de generar una respuesta condicionada. Las células de Purkinje de la corteza cerebelosa inhiben tónicamente las células nucleares profundas. Por lo tanto, una disminución mediada por LTD en la actividad de PC en el momento apropiado durante un intervalo CS-US podría liberar al INP de la inhibición tónica y permitir la ejecución de una CR. Un aumento en la actividad de PC podría tener el efecto opuesto, prohibiendo o limitando la ejecución de una CR. Se ha planteado la hipótesis de que las CR son generadas por el INP como resultado de la liberación de la inhibición de PC (es decir, Perrett et al., 1993).

• Condicionamiento clásico
• Aprendizaje motor
• Reflejo vestíbulo-ocular