Hablemos de aprendizaje

El estudio del cerebro y los mecanismos empleados para aprender, han sido analizados desde diferentes perspectivas, incluyendo análisis de las áreas involucradas en dicho proceso (Dzib Goodin 2013), en los medios es común escuchar la idea de que es posible educar al cerebro para aprender lo que sea, modificando los mecanismos de control. Se ha vuelto tan popular la idea, que la publicidad clama que es posible usar la ciencia del cerebro para mejorar la memoria, el pensamiento y el aprendizaje.

Muchas de esas investigaciones desde la neurociencia,  están diseñadas para atraer la atención del cómo se aprende, algunas miran de modo muy superficial un proceso que está puesto al servicio de las especies con fines de pervivir (Dzib Goodin, 2013b) y dejan de lado una pregunta fundamental que permita comprender los mecanismos evolutivos del proceso ¿porqué aprendemos?

Esta pregunta,  ha sido mucho más fascinante e implica la comprensión profunda de la evolución del cerebro desde que era sólo una célula (Diffey, 2011)., las huellas fisiológicas que ello ha implicado  (Widmaier, ERaff, Strang, 2014), y las redes genéticas y biológicas de un proceso que sigue cambiando para adaptarse al ambiente (Schleif, 1993).

 En este sentido,  ha de lamentarse la decepción que provoca a los profesionales de la educación  la idea de que el cerebro no aprende en base a currículos abiertos o cerrados, sino que éste comenzó mucho antes de que existiera el cerebro del homo sapiens y por ende, muchos miles o millones de años antes de la primera escuela. El proceso de aprendizaje, es un proceso evolutivo (Miikkulainen, Feasly, Hohnson, Karpov, Rajagopalan, Rawal, & Tansey, 2012;  Goodin, 2013c); adapatativo dependiente de funciones proteínicas (Domingo-Samanes, Kapuy,  Hunt,  and Novak, 2011) en mayor medida, tanto o más que neuronal, puesto que las neuronas fueron resultado de procesos evolutivos a mayor escala  (Nolfi, Elman, & Parisi, 1994; Domingo-Samanes, Kapuy,  Hunt, and Novak, 2011).

Escarbando en el pasado

Hasta hace pocos años, la neurociencia ha intentado explicar el funcionamiento cerebral a partir del estudio del cerebro humano o de su comparación con otras especies. De este modo se ha dado una importancia enorme a la neo-corteza, como generadora de ideas y espacio que alberga la inteligencia, además que se atribuye a ésta característica, netamente humana, la función de diferenciar a las personas capaces de las que no podrán ni siquiera aprender.

Gracias a los estudios de los omics (proteómica, genómica, metabolómica, connectome), que han desencadenado conocimiento que intenta comprender los sistemas biológicos y las relaciones que establecen las herramientas evolutivas (Bruggeman, and Westerhoff, 2006), aunado a la idea de que pudo ser una proteína la que desencadenara las subsecuentes relaciones que dieron origen a la vida en todas sus manifestaciones (Hunt, Nasmyth, and Novák, 2011), es que se hace posible decir que las neuronas son productos de la adaptación evolutiva al igual que el cerebro y por ende no se puede atribuir a dicho órgano  la creación el aprendizaje, sino que el cerebro está al servicio de éste.

Si bien esta visión puede resultar sofisticada, le pido estimado lector imaginar al cerebro antes del cerebro. Antes de la célula, con todo su sofisticación. La primera molécula que existió, probablemente habrá que pensar en una proteína (recordemos que no contienen ADN pues de hecho el ADN está hecho de proteínas), misma que se volvió determinante en el proceso de la evolución, esta simplemente cambio, mutó o quizá cometió un error. Tal vez se puso en contacto con otra bajo un programa equivocado, lo cual no es difícil de pensar pues se han descubierto múltiples mecanismos de control a nivel proteínico (Domingo-Samanes, Kapuy,  Hunt, and Novak, 2011), una vez que el primer proceso de comunicación tomó forma, probablemente se tuvo que perfeccionar, y cuando funcionó del todo, comenzaron otros procesos de comunicación (Klipp, Liebermeister, Wierling, KowaldLehrach and Herwig, 2009), y luego estos se volvieron tan complejos que dieron lugar a un proceso capaz de responder al ambiente, tal vez al movimiento, o a la temperatura, tal vez surgió la primera célula con toda su sofisticación.

Esto dio paso a la diversificación, este proceso tan complejo se volvió importante primero porque permitió la comunicación efectiva primero entre el sistema (Knight, and Knight 2001) y más tarde, permitió la capacidad de cambio, pues aunque las especies hayan tenido características similares, la universalidad de funciones proteínicas y genes, no implica la uniformidad (O´Farrel,  2011) lo cual ha resultado vital para la evolución.

Esta diversificación no dio paso solamente a una variedad enorme de especies, plantas, animales, virus y bacterias, además se especializó, así una célula en l

a retina, no tiene las mismas funciones que una célula nerviosa o una que se encuentra en el músculo cardiaco, mismo que a su vez tiene sus propias células especializadas.

Si el nivel macro no es suficiente para comprender la diversificación, basta con observar el ciclo celular, donde existen funciones tan increíblemente sofisticadas reguladas por proteínas (mismas que controlan a los genes), y al mismo tiempo, pueden ser sensibles al ambiente (Hunt,  Nasmyth, and Novák, 2011) el simple  principio de la bioelectricidad que comparten todas las células, confirma que la naturaleza ha creado los mejores sistemas de control sobre la vida (Yeaman,  Grindstaff, Hansen, and Nelson, 1999) diseñando compartimente especificos de control de calidad y producción, siendo uno de los principios más estudiados el que todas la moléculas tienen igual acceso entre ellas y que hay sistemas de compartimientos acomodados a partir de los componentes y de sus señales creando una organización regional (Weng, Bhalla,  and Iyengar, 1999).

Si bien es cierto que aún no se conocen todos los sistemas de control y reconocimiento de señales entre los sistemas biológicos. Como bien explican Bruggeman, and Westerhoff, (2006), parece que los sistemas hacia arriba y hacia abajo brindan un buena idea de cómo se formó el cerebro en esta largo recorrido desde la primera célula hasta la neocorteza.

En ese largo proceso de perfección, el cerebro ha compartido el mismo control que otros órganos, me permito explicar esto en base a ejemplos de índole anatómico-fisiológica: causa  notable admiración aquellos casos en que a raíz de una lobotomía, los pacientes pueden desarrollar funciones casi a la par de una persona con dos hemisferios cerebrales, pero lo mismo sucede con una persona que sólo cuenta con un pulmón, un riñón, una pierna, o un ojo. La capacidad de adaptación creó medios de regulación homeostáticas a gran escala como la necesidad de órganos bilaterales o bien los loops que regulan las funciones fisiológicas (Kraakman, 2012).

Lo mismo sucede con otros mecanismos que evitan el deterioro de las funciones, el que puede causar más fascinación es el circulo de Willis, que se ubica en la base del cráneo, con sus medios de control de accidentes que son comparables a las válvulas cardiacas o a los sistemas endocrinos. Esto sólo puede ser visto cuando se deja de estudiar el cerebro a partir de si mismo y se extiende la investigación a funciones reguladoras.

Bajo esta perspectiva,  es posible ver a las funciones cerebrales como resultado de pruebas y errores biológicos, que dieron paso al establecimiento de funciones adaptativas, con el fin de que las especies, en general permanezcan sobre la faz de la tierra,  pues principios similares ocurrieron de manera menos sofisticada en la escala evolutiva (Herculano-Houzel, 2012) entre las que se puede incluir a las plantas,  los virus y las proteínas (Dzib Goodin, 2013b).

Bajo esta perspectiva, es posible analizar que ningún sistema vivo, sigue reglas exactas o tiene un guión predeterminado, pues los genes deben crear mecanismos de adaptación que respondan al ambiente, puesto que de no hacerse, los sistemas corren el riesgo de fracasar (Nolfi,  & Parisi, 1994; Nolfi, Elman,  & Parisi, 1994; Nolfi,  & Parisi, 1996).

Resultado de esas primeras formas de comunicación es que diversos procesos ejemplos son compartidos entre las especies, por ejemplo el caso del grupo de las 3 familias de SLC (VIAAT, SLC32A1), PAT1 (SLC36A1), PAT2 (SLC36A2), PAT4 (SLC36A4), SNAT1 (SLC38A1), SNAT2 (SLC38A2), SNAT3 (SLC38A3), y SNAT4 (SLC38A4) que es posible encontrar en 9 genomas diferentes (Schiöth, Roshanbin, Hägglund, Fredriksson, 2013), o bien, el caso de la familia BcL2 dentro de los factores de crecimiento y muerte celular, en  C elegans y mamíferos. De hecho es posible encontrar sistemas neuronales en gusanos, y como ejemplo no podemos olvidar a la C elegans.

¿Es el cerebro un ente distinto al resto del organismo?

El cerebro se comunica de la misma forma que el resto de las células, a través de señales eléctricas,  a través de un intercambio de sodio, potasio y cloro, esto no lo hace más sofisticado, pues existen otras formas de comunicación bio química en el sistema endócrino,  pero en el caso del cerebro se agrega neurotransmisores que hacen que las señales sean más rápidas y efectivas a diferencia de las hormonas, que son lentas y dependen de transportadores específicos e incluso de los ciclos circadianos García-Junco-Clemente,  Linares-Clemente, and Fernandez-Chacón,  2005; McGregor, Vasas, Husbands, & Fernando, 2012).   

De igual modo que el resto de los células, el cerebro usa factores de transcripción y errores en ellos crean dificultades en los procesos, un ejemplo de ello es el estudio de Johnston, Alemi, y Harum, publicado en 2003, que analiza específicamente el proceso de aprendizaje y memoria, por lo que se puede decir que el cerebro no funciona con principios únicos en este sentido.

Las células madre neuronales, se encuentran presentes en todos los mamíferos, y aunque se pensaba que sólo se encontraban en el desarrollo embrionario como sistema de plasticidad y como respuesta ante el ambiente, estudios recientes muestras que estás permanecen en el cerebro específicamente en  la zona subventricular, la pared ventricular lateral y la zona subgranular del giro dentado hipocampal (Ma, Bonaguidi, Ming, Song, 2009), lo que implica la necesidad de respuestas adaptables, aún después de los ventanas de crecimiento, o como principio adaptativo.

Otra función que comparten el resto de las células es su capacidad de auto reparación (hasta cierto punto) y de reciclado de restos biológicos,  a través de funciones fagocitarias que en el caso del cerebro se describen como tejido glial y que puede tener especificidad como el caso de las células NG2 que son un precursor de las células oligodendríticas o polidendrocitos  que representan la mayor población de células gliales que existen en la materia gris en el sistema nervioso maduro principalmente para la reparación de la mielina (Nishiyama, Susuki, and Zhu, 2014). Pero los fagocitos se encuentran de hecho en todas las células, como mecanismos de reciclado biológico.

Con todo esto en contexto, bajo la idea de que el cerebro no es la quinta esencia, sino un director de funciones evolutivamente adaptado para funcionar en torno a las señales del ambiente, es entonces que el aprendizaje tiene sentido, primero para reconocer las señales, crear una base de datos capaz de responder de la mejor forma, de ahí la necesidad de un sistema de memoria, capaz de crear a nivel cognitivo clasificaciones especificas de los eventos.

Con el tiempo ocurrieron otras fallas o errores que desencadenaron otros procesos, como el lenguaje, a lo que hubo que agregar sistemas capaces de hacerse cargo de ello y a la luz de la comunicación (proceso que no es nuevo para los sistemas biológicos) se dio paso a la lectura y a la escritura (Lock,  & Gers,  2012), mismos que dependen inevitablemente de un sistema cultural, por lo que el cerebro no está diseñado de manera automática. Aunque mucho se habla del lenguaje como sistema integrado a nivel genético, se sabe que también depende de los insumos culturales, de ahí la necesidad de las ventanas o periodos críticos de aprendizaje.

Esta plasticidad se reconoce bien cuando se realizan diseños dinámicos inteligentes por medios computacionales, cuya regla básica es no crear un sistema cerrado incapaz de responder a las señales externas, las cuales pueden ser cambiantes, pues la estructura del sistema debe ser modificable (Zollo,  & Winter, 2002), principio que comparte el cerebro (Zuo,  Ehmke, Mennes,  Imperati, Castellanos, Sporns, & Milham, 2012).

Es aquí que cabe mencionar que la capacidad de modificar respuestas, si bien es compartido por los virus y bacterias, de ahí la dificultad para controlar su crecimiento, es un principio observado incluso en las proteínas. El  mejor ejemplo son las enfermedades prionicas o bien el cáncer, donde las células desconocen las señales para morir y a se crea una sobre producción de ciertas proteinas, tal es el caso de HER2, en el caso de algunos tipos de cáncer de mama y pulmón (Zou,  Capellari, Parchi,  Sy, Gambetti,  & Chen, 2003; Zou,  Zheng,  Gray,  Gambetti, & Chen, 2004).

El cerebro es entonces parte del proceso evolutivo, el cual no se detiene por lo que no se sabe si la versión actual del cerebro es la última, (de la manera personal quiero pensar que no, pues eso me hace creer que hay orden en el universo) y que no depende de planes y programas de estudio para aprender.  Ante la pregunta inicial de ¿porqué aprendemos? se puede decir que la respuesta es simple: para mantenernos como especie sobre la faz de la tierra.

Esto pone en jaque dos principios que se han mantenido en la mente de las reuniones seudocientíficas: genética es destino y la inteligencia determina la ejecución de las personas. Sin embargo, como se ha venido explicando, los sistemas biológicos son modulables, plásticos, adaptables. Este principio biológico ha permitido la variedad en las especies vivientes, las ha mantenido sobre la faz de la tierra, y es la diferencia entre vida y muerte.

 

Es así que ya no es difícil hacer de lado el principio de inteligencia, pues no es una necesidad del sistema ser o no inteligente, sino responder ante el ambiente. Ejemplos hay muchos, pues estudios naturistas permiten observar conductas adaptativas en especies no domesticadas como las ardillas, los pájaros o los chipmunks, mismos que aprenden a encontrar alimentos, siempre y cuando sientan la confianza de que no serán atacados y la motivación para ejecutar conductas en pro de lo que desean (Dzib Goodin, A. 2013c).

Siendo así, el cerebro no aprende a partir de un programa de estudio, bajo leyes especificas a nivel genético, pues aprende en primer lugar como respuesta al ambiente, es por ello que aún aquellas funciones que tienen predeterminadas áreas específicas (cómo el caso del lenguaje) deben ser enseñadas por medios culturales, y las ventanas de aprendizaje se pueden extender por mucho más tiempo del que se ha supuesto. Uno de los ejemplos más notables es la visión o la audición, que dependen de un entorno cultural para completar las funciones específicas y aún así, son netamente experiencias subjetivas.

La mejor manera que puedo encontrar para explicar el porque la necesidad de u sistema modulable para el aprendizaje es un teléfono inteligente. No con ello quiero decir que el cerebro es como un sistema tecnológico, pero su evolución sirve como ejemplo:

Cuando sale de fabrica, el teléfono sólo contiene aplicaciones genéricas, aquellas con las que el usuario se pueda sentir identificado, para que una vez en sus manos, éste puedo agregar aplicaciones, con el fin de personalizar su aparato, a partir de las necesidades. Así, algunos agregamos redes sociales,  libros, calendarios, estaciones de radio o aplicaciones que permita editar fotografías.

El cerebro del mismo modo, no puede estar determinado para un ambiente cultural específico, es por eso que contiene programaciones a nivel genético mínimas y aún así flexibles, tal es el caso del lenguaje. Existen funciones mínimas que permitan sobrevivir en lo inmediato, por ejemplo, no es necesario aprender a respirar,  encontrar el pezón de la madre o a succionar, pero para la visión, la audición el medio deberá de dotar los estímulos adecuados. El cerebro del recién nacido tendrá que personalizarse, de ahí la importancia del ambiente.

Con esto en contexto, es posible decir que el cerebro es el gestor de funciones corporales, pero no determina el cómo aprende pues él mismo depende de funciones biológicas más simples y se haya bajo las reglas evolutivas, que invariablemente se abren paso, pues las especies requieren patrones de modificación con el fin de adaptarse a los ambientes específicos en donde se encuentran, siendo el aprendizaje el proceso que permite monitorear y desarrollar dichas adaptaciones.

Siendo así, el aprendizaje es un proceso complejo,  que va más allá de planes y programas de estudio, que cumple su labor programada por la naturaleza, lo cual puede ser frustrante para los educadores, pues parten del mito de que un cerebro con daño no es capaz de aprender. Sin embargo, la plasticidad cerebral está dada no sólo por circuitos específicos y controles homeostáticos, sino por patrones evolutivos que no están especificados.

Referencias:

Bruggeman, FJ., and Westerhoff, HV. (2006). The nature of systems biology. Trends in Microbiology. 15(1) 45-50.

Domingo-Samanes, MR., Kapuy, O., Hunt, T., and Novak, B. (2011). Switches and latches: a biochemical tuf –of-war between the kinases and phosphatases that control mitosis. Philosophical Transcations of the Royal Scociety Biological Science. 366, 3584-3594.

Diffey, JFX. (2011). Quality Control in the initiation of eukaryotic DNA replication. Philosophical Transcations of the Royal Scociety Biological Science. 366, 3545-3553.

Dzib Goodin A. (2013a). La arquitectura cerebral como responsable del proceso de aprendizaje. Revista Mexicana de Neurociencia,14(2) 81-85.

Dzib Goodin, A. (2013b). La evolución del aprendizaje:  más allá de las redes neuronales. Revista Chilena de Neuropsicología, 8(1) 20-25.

Dzib Goodin, A. (2013c). ¿Inteligencia o respuestas adaptables al medio ambiente?. Disponible en red: http://neurocognicionyaprendizaje.blogspot.com/2013/10/inteligencia-o-respuestas-adaptables-al.html

García-Junco-Clemente, P., Linares-Clemente, P., and Fernandez-Chacón, R. (2005). Active zones for         presynaptic plasticity in the brain. Molecular Psyquiatry, 10, 185-200.

Herculano-Houzel, S. (2014). The glia/neuron ratio: how it varies uniformly across brain structures and species and what that means for brain physiology and evolution. Glia, 62(9) 1377-1391.

Herculano-Houzel, S. (2012). The remarkable, yet not extraordinary, human brains as a scaled up primate brain and its associated cost.  Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America, 109(S1) 10661-10668

Hunt, T., Nasmyth, K., and Novák, B. (2011). The cell cycle. Philosophical Transcations of the Royal Scociety Biological Science. 366,3494-3497.

Klipp, E., Liebermeister, W.,  Wierling, C., Kowald, A., Lehrach H., and Herwig, R. (2009). Systems Biology: A textbook. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Knight, H. and Knight MR. (2001). Abiotic stress signaling pathway specificity  and cross-talk. Trends in Plant Science, 6(6) 262-267.

Kraakman, B. (2012). Bioinformatica. Jac. P . Thijsse College.  NBIC Bioninformatica in de klas. Disponible en: https://itunes.apple.com/us/book/bioinformatica/id583417323?mt=13

Johnston, MV., Alemi, L., and Harum, KH. (2003). Learning, memory, and transcrption factors. Pediatric Research, 53(3) 369-374.

Lock, A., & Gers, M. (2012). The cultural evolution of written language and its effects: A Darwinian process from prehistory to the modern day. En E. L. L., Grigorenko, E. Mambrino, D. D., Preis (Eds.) Writing: A mosaic of new perspectives (pp. 11-36). New York: Psychology Press, Taylor & Francis Group.

Ma, DK., Bonaguidi, MA., Ming, GL., Song, H. (2009). Adult neural stem cells in the mammalian central  nervous system. Cell Research. 19, 672-682.

McGregor, S., Vasas, V., Husbands, & Fernando, C. (2012). Evolution of associative learning in chemical networks. Plos Computational Biology. Disponible en http://www.ploscompbiol.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pcbi.1002739

Miikkulainen, R., Feasly, E., Hohnson, L. Karpov, I., Rajagopalan, P., Rawal, A., & Tansey, W. (2012). Multiagent learning through neuroevolution. Advances in Computational Intelligence, 7311, 24-46.

Nishiyama, A., Susuki, R., and Zhu, X. (2014). NG2 cells (polydendrocytes) in brain physiology and repair. Frontiers in Neuroscience 8(133) 1-7.

Nolfi, S., & Parisi, D. (1994). Good teaching inputs do not correspond to desired responses in ecological neural networks. Neural Processing Letters, 1, 2(11/94), 1-4.

Nolfi, S., & Parisi, D. (1996). Learning to adapt to changing environments in evolving neural networks. Adaptative Behavior, 5(1), 75-88.

Nolfi, S., Elman, J., & Parisi, D. (1994). Learning and evolution in neural networks. Adaptive Behavior 2(1994), 5-28.

O´Farrell, PH. (2011). Quiescence: early evolutionary origins and universality do not imply uniformity. Philosophical Transcations of the Royal Scociety Biological Science. 366, 3498-3507.

Schiöth, HB., Roshanbin, S., Hägglund MGA., Fredriksson, R. (2013). Evolutionary origin of amino acid transporter families SLC32, SLC36 and SLC38 and physiological, pathological therapeutic aspects. Molecular Aspects of Medicine, 34(2-3) 571-585.

Schleif, R. (1993). Genetic and Molecular Biology.  The johns Hopkins University Press. Baltimore and London.

Yeaman, C., Grindstaff, KK., Hansen, MDH.,  and Nelson, WJ. (1999). Cell polarity: Versatile scaffolds keep things in place. Current Biology,  9(14) 515-517.

Weng, G., Bhalla, US., and Iyengar, R. (1999). Complexity in biological signaling systems. Science, 284(5411) 92-96.

Widmaier, EP., Raff, H., Strang, KT. (2014). Vander`s Human Physiology: The Mechanism of Body Function. McGraw Hill. USA.

Zollo, M., & Winter, S. G. (2002). Deliberate learning and evolution of dynamic capabilities. Organization Science, 13(3), 339-351.

Zou, W., Capellari, S., Parchi, P., Sy, M. S., Gambetti, P., & Chen, S.G. (2003). Identification of Novel Proteinase K-resistant Cterminal Fragments of PrP in Creutzfeldt-Jakob Disease. Journal of Biological Chemistry, 278(42), 40429-40436.

Zou, W., Zheng, J., Gray, D. M., Gambetti, P., & Chen, S. G. (2004).Antibody to DNA Detects Scrapie but not Normal Prion Protein. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101(5), 1380-1385.

Zuo, X. N., Ehmke, R., Mennes, M., Imperati, D., Castellanos, J.,Sporns, O., & Milham, M. P. (2012). Network centrality in the human functional. Cerebral Cortex, 22(8), 1862-1875.