La «materia gris» es sólo uno de los dos tipos de tejido cerebral; el otro, la «materia blanca», apenas se menciona. Sin embargo, la materia blanca constituye la mitad del cerebro humano y no se ha considerado importante para la cognición o el aprendizaje fuera del contexto de la patología. Esta opinión podría cambiar. Los estudios de imagen y celulares y moleculares están revelando la plasticidad de la materia blanca con posibles implicaciones para la función cognitiva normal y los trastornos psicológicos.
La materia blanca, que se encuentra debajo de la corteza de materia gris, está compuesta por millones de haces de axones (fibras nerviosas) que conectan las neuronas de diferentes regiones del cerebro en circuitos funcionales. El color blanco deriva del aislamiento eléctrico (mielina) que recubre los axones (véase la figura). Está formada por células no neuronales, los oligodendrocitos, que envuelven los axones con hasta 150 capas de membrana celular fuertemente comprimida. La mielina es esencial para la transmisión de alta velocidad de los impulsos eléctricos, y su daño puede perjudicar la conducción y, en consecuencia, las funciones sensoriales, motoras y cognitivas. El cerebro humano sigue experimentando una mielinización hasta al menos la tercera década de edad, y las regiones frontales de la corteza cerebral, que realizan funciones ejecutivas de alto nivel, son las últimas en mielinizarse.
El aprendizaje implica cambios en la fuerza de las sinapsis, las conexiones entre las neuronas en la materia gris. Pero las imágenes del cerebro humano mediante resonancia magnética (IRM) han revelado cambios estructurales en la materia blanca tras el aprendizaje de tareas complejas. Esto plantea la cuestión de si la materia blanca responde a la experiencia de una manera que afecta a la función de las neuronas en circunstancias normales, afectando así al procesamiento de la información y al rendimiento. Hay algunas observaciones intrigantes relacionadas con esta posibilidad. Por ejemplo, los cambios estructurales en la materia blanca se correlacionan con el número de horas que un músico profesional practica (1). Los mayores cambios se observaron en partes del cerebro que aún no estaban completamente mielinizadas. Del mismo modo, los sujetos adultos mostraron una mayor organización estructural de la materia blanca en una región del cerebro importante para el control visomotor 6 semanas después de aprender a hacer malabares (2). Y en un estudio de adultos que aprendían a leer, aumentaron el volumen, la organización anatómica y la conectividad funcional de los tractos de materia blanca que enlazan regiones corticales importantes para la lectura (3). No está claro si estos cambios en la estructura de la materia blanca afectan directamente a la función de las neuronas al alterar la transmisión de la información necesaria para adquirir una habilidad. Sin embargo, las observaciones muestran que el aprendizaje de una nueva habilidad se asocia con una alteración de la estructura de la materia blanca en el cerebro maduro.
Los estudios histológicos en animales de experimentación deberían aclarar si los cambios en la materia blanca que se observan en la resonancia magnética tras el aprendizaje están causados por la mielinización de los axones no mielinizados, por el aumento del grosor de la mielina en los axones que ya están mielinizados, por alteraciones en el calibre, la ramificación o el cruce de los axones, o por otros cambios celulares. Los análisis de resonancia magnética de macacos japoneses han mostrado, por ejemplo, grandes cambios estructurales en la materia blanca del cerebelo después de entrenarlos para que utilicen un rastrillo para recuperar una recompensa de comida (4). La magnitud del cambio se correlaciona con la velocidad de aprendizaje de la habilidad. Los estudios sobre ratas criadas en entornos enriquecidos que proporcionan interacción social y objetos novedosos para la exploración revelaron sólidos cambios celulares en la materia gris y blanca que incluyen tejido vascular, glía, neuronas y un aumento de la mielina (5). Se debe seguir explorando si la mielina tiene un papel primordial en el aumento del procesamiento de la información en tales modelos animales, ya que observaciones como las de los estudios sobre el entorno de las ratas pueden tener implicaciones para entender el desarrollo del cerebro durante la experiencia en la primera infancia.
No está claro si las experiencias regulan la mielinización en la edad adulta. El tamaño de la región cerebral del cuerpo calloso aumentó en un 10% en ratas adultas que fueron colocadas en un entorno enriquecido durante varios meses, pero esto fue causado por un mayor volumen de otro tipo de células gliales (astrocitos), así como de axones no mielinizados, posiblemente como resultado de la germinación de los axones (6). El mismo tratamiento aumentó el volumen de axones mielinizados en el cuerpo calloso de los animales jóvenes. Por lo tanto, parece que se mielinizan más axones como resultado de la experiencia durante el periodo de desarrollo, cuando la mielinización es más activa. Sin embargo, el 29% de los oligodendrocitos formadores de mielina en ratones adultos se desarrollan a partir de células progenitoras de oligodendrocitos (OPC) tras la madurez sexual (7). Quizás este suministro se genera para la reparación o posiblemente para la mielinización asociada al aprendizaje. Curiosamente, el ciclo de división celular de las OPC aumenta en 8 horas por cada día de edad desde el nacimiento (8), lo que indica que la capacidad de formar nuevos oligodendrocitos disminuye con la edad. Esto es paralelo al declive normal de la cognición humana y a la disminución del volumen de la materia blanca después de los 50 años (9).
Una de las mayores categorías de genes cuya expresión cambia durante el sueño incluye los genes que controlan el desarrollo de los oligodendrocitos y la mielinización (10). La razón de esto no está clara, pero el sueño está relacionado con la consolidación de la memoria. Las mutaciones en los genes de los oligodendrocitos se han identificado como posibles factores de riesgo para la depresión y la esquizofrenia (11), y la alteración de genes específicos en los oligodendrocitos de los ratones se correlaciona con cambios de comportamiento parecidos a la esquizofrenia en los seres humanos (12). Actualmente se entiende que los trastornos mentales son trastornos de la transmisión sináptica, pero los oligodendrocitos podrían quizás contribuir a las aberraciones en la transmisión.
¿Cómo saben los oligodendrocitos qué axones están eléctricamente activos? Puede la actividad de los impulsos afectar a la mielinización? Se han identificado tres mecanismos que regulan la mielinización o el desarrollo de la glía formadora de mielina en respuesta a la estimulación eléctrica de los axones in vitro. Las frecuencias específicas de los impulsos eléctricos controlan la cantidad de L1 CAM presente en los axones no mielinizados, una molécula de adhesión celular que es necesaria para la mielinización (13). El neurotransmisor adenosina 5′-trifosfato (ATP) se libera de los axones y activa receptores en los astrocitos, haciendo que éstos liberen una citoquina (factor inhibidor de la leucemia) que estimula la mielinización por parte de los oligodendrocitos maduros (14). La adenosina derivada de la hidrólisis del ATP liberado promueve el desarrollo de los OPC y, por tanto, aumenta la mielinización (15). Aunque se han detectado sinapsis en las OPC, lo que hace especular que la comunicación sináptica podría estimular la mielinización, las sinapsis neurona-OPC se pierden a medida que las OPC maduran hasta un estadio premielinizante (16). Además, se ha identificado un mecanismo no sináptico para la liberación de ATP de los axones (17).
La sustancia blanca es esencial para la conducción de los impulsos, por lo que el concepto de plasticidad de la sustancia blanca amplía el alcance de la investigación más allá de la sinapsis al considerar la transmisión de información a través de las redes neuronales que son críticas para el aprendizaje de habilidades complejas y la función cognitiva de nivel superior en ausencia de patología. Tal vez las diferencias en la sustancia blanca que se correlacionan con la puntuación en las pruebas de cociente intelectual (18) y ciertas condiciones psiquiátricas (11) puedan atribuirse en parte a un papel directo de la sustancia blanca en el aprendizaje y la función cognitiva. Pero aún queda mucho trabajo por hacer para explorar estas interesantes posibilidades. Esto incluye la determinación de la naturaleza de los cambios estructurales de la materia blanca observados y la evaluación de si estos cambios afectan a la transmisión de los impulsos eléctricos y/o a la sincronía de los disparos neuronales de una manera que afecte al procesamiento de la información.