LA CORTEZA PREFRONTAL EN LOS MECANISMOS ATENCIONALES Y LA MEMORIA

(PREFRONTAL CORTEX IN MEMORY AND ATTENTION)

CONFERENCES
TOPIC: SPECIFIC NEUROPSYCHOLOGICAL SYNDROMES


Ricardo F. Allegri & Paula Harris.

Jefe del Servicio de Neuropsicología (SIREN) - CEMIC
Profesor Titular de Neuropsicología ? Universidad de Belgrano.
Investigador del Concejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (CONICET) . Buenos Aires. Argentina
Email: allegri@jede.net


To participate in Specific Neuropsychological Syndromes List

 
INTRODUCCION
Durante más de una centuria, el lóbulo frontal ha sido considerado un enigma para los científicos, casi "inútil" por algunos autores, o el órgano "superior de la civilización" por otros.  Es la adquisición filogenética más reciente (ver fig 1) y es una de las últimas regiones en madurar y mielinizarse en el desarrollo ontogenético1. A pesar de ocupar entre el 25 y el 33 % del total de la corteza, es dificultoso demostrar las funciones específicas de esta región.

A partir de la década del setenta, las funciones de las regiones prefrontales han sido mejor conceptualizadas desde múltiples abordajes (el  cognitivismo y la neurología del comportamiento). Los marcos ofrecidos por Shallice2,3, Goldman-Rakic 4,5, Stuss y Benson6, Luria y Tsvetkova7, y Grafman y cols 8-10 ejemplifican este esfuerzo. Cada uno describe las funciones cognitivas del prefrontal desde su propia perspectiva.

La lesión de la corteza prefrontal determina los siguientes déficit cognitivos: dificultades en el planeamiento, razonamiento, resolución de problemas, formación de conceptos y ordenamiento temporal de los estímulos; trastornos de la atención, aprendizaje asociativo, del proceso de búsqueda en memoria y del mantenimiento de la información en la memoria de trabajo; alteración de algunas formas de habilidades motoras, generación de imágenes, manipulación de las propiedades espaciales de un estímulo, metacognición y cognición social 10 .

Recientemente han sido descriptos una serie de circuitos que relacionan las regiones del lóbulo frontal con las distintas estructuras corticales y subcorticales. Esta especialización regional permite describir básicamente tres circuitos y sus correspondientes síndromes distintivos cognitivos y conductuales 11 (ver fig. 2 y 3).

Existe un grado considerable de interacción funcional entre la corteza frontal y las regiones temporal mesial  y anterior y dorsomediana talámica, el daño de estas últimas regiones genera severos trastornos mnésicos.
 

Los estudios en los monos:
La hipótesis de que la corteza prefrontal interviene en la memoria proviene de los estudios realizados en monos con extensas lesiones prefrontales (región del sulcus principalis / corteza dorsolateral -  ver fig. 4) a los cuales se los sometió a pruebas de "respuesta retardada (delay) y alternancia retardada" (ver fig. 5).  Una razón para pensar que los trastornos se debían a fallas en la memoria a corto plazo era que este trastorno aumentaba a medida que se aumentaba el "delay" 12-14. Información adicional fue aportada por Fuster1, quien encontró que en este tipo de pruebas, las células del sulcus principalis aumentaban su descarga durante la etapa del "delay", relacionando esta actividad específicamente con la memoria de trabajo.

En los trabajo de Goldman Rakic 4,5 la corteza prefrontal funciona como "memoria de trabajo" la cual mantiene activa, temporariamente, la representación de un estímulo (incluyendo sus coordenadas espaciales específicas) hasta que sea requerida una respuesta. Encontró que la corteza prefrontal contiene distintas clases de neuronas encargadas respectivamente, durante la realización de una tarea, de registrar el estímulo sensorial, de mantenerlo "en línea" y de liberar la respuesta motora. Ella demostró que algunas neuronas corticales prefrontales aumentan su actividad sólo durante el delay entre la presentación del estímulo y la respuesta; estas células se activan exclusivamente para codificar una determinada localización dentro de las coordenadas visuo-espaciales y no simplemente para la memoria del estímulo.

El modelo del procesamiento temporal de Fuster1, a través del registro células únicas,  propone que la corteza prefrontal, si bien tiene múltiples funciones, está involucrada principalmente en la representación de la estructura temporal de las conductas. Fuster considera que para codificar los aspectos temporales de las conductas, la corteza prefrontal debe comprometerse en la formación de contingencias transtemporales.El propone que la corteza prefrontal, interactuando con la corteza posterior, es decir coordinando redes perceptuales con redes motoras, ejerce la función de sintaxis temporal. Esto es básicamente la función de integrar temporalmente elementos separados (no adyascentes en el tiempo) a fin de lograr una unidad (gestalt) con un objetivo. Estas operaciones temporales son según Fuster1 únicas de la corteza prefrontal. Numerosos estudios han indicado que los pacientes con lesiones prefrontales tienen problemas particularmente con el recuerdo del orden de los eventos comparado con la memoria intacta de algún evento en particular.
En los monos, una lesión de la convexidad inferior está caracterizada por una marcada respuesta perseverativa, aparentemente debida a la incapacidad de estos animales en suprimir las respuestas automáticas que compiten con la respuesta nueva (a ser aprendida). Como resultado de esto aparecen fallas en pruebas de memoria, inapropiadamente interpretadas como trastornos mnésicos frontales.
Las lesiones en la región periarcuata afectan la formación de asociaciones entre los estímulos exteroceptivos y los conjuntos específicos de respuestas motoras.
 

Los estudios en el hombre:
Han sido descriptos trastornos mnésicos en sujetos con tumores que afectan el lóbulo frontal15. Sin embargo, los tumores por infiltración o compresión de estructuras vecinas a la corteza frontal, como las áreas prosencefálicas basales, o por elevación de la presión intracraneana, producen cambios patológicos en áreas alejadas.
En los sujetos con síndromes amnésicos por ruptura de aneurismas de la arteria comunicante anterior 16,17 si bien el daño compromete la región frontal medial, el mismo se extiende hacia las estructuras prosencefálicas basales (área septal, núcleo acumbens, y parte del núcleo basal de Meynert) (ver fig. 6) siendo estas últimas las responsables de los desórdenes mnésicos.

Los pacientes con lesiones limitadas en sentido estricto, no son los amnésicos clásicos. Ellos no presentan trastornos en el recuerdo, reconocimiento o en la sensación de familiaridad, sino que los déficit aparecen cuando los requerimientos de las tareas de memoria involucran más que simplemente el recuerdo o reconocimiento de eventos aislados. Asi los pacientes frontales fallan cuando deben recordar el orden contextual de eventos similares14.
 

Trastornos mnésicos en lesiones prefrontales: (ver fig 7)

Algunos autores han caracterizado la función del lóbulo frontal como comprometiendo una clase especial de memoria mientras que otros han intentado caracterizar qué tipo de capacidad cognitiva influye sobre la memoria.

- Alteración de la memoria de trabajo (ver fig. 8):
Este tipo de función cognitiva esta alterada en pacientes leucotomizados que realizan bien las pruebas de memoria convencionales pero que tienen un rendimiento alterado en el test de Brown Peterson. En este test se presenta una serie de trigramas consonánticos (JKZ, FVM) que deben ser recordados luego de una prueba distractora6. En cada bloque, los sujetos deben descartar el trigrama precedente y concentrarse en el nuevo. Estos paciente tendrían dificultades en el administrador o ejecutivo central de la memoria de trabajo, sistema atencional altamente selectivo que se generaría en las estructuras prefrontales.
Los pacientes con lesiones del lóbulo frontal no presentan deterioro en los test estándares de memoria como el Wechsler Memory Scale Revised (WMS.R)18, pero muestran un rendimiento pobre en el índice atención-concentración del WMS.R. Los resultados de este índice, que evalúa la memoria a corto plazo (ej. span de dígitos), corroboran el pensamiento de Baddeley19,20 acerca de que las lesiones frontales alteran la memoria de trabajo. Llamativamente, la disrrupción frontal no deteriora la capacidad de aprender nueva información (memoria a largo plazo). Esto contrasta con las lesiones que comprometen el lóbulo temporal medial o el diencéfalo.

- Deterioro del recuerdo libre:
Los pacientes con lesiones del lóbulo frontal muestran dificultades en los test de recuerdo libre, mejorando significativamente en el test de reconocimiento21 (ver fig. 9 y 10). Una posible interpretación de este fenómeno sería que los test de recuerdo libre demandan estrategias internas de búsqueda de la información que estos sujetos  no pueden generar por si mismos.

- Interferencia proactiva:
En estos sujetos aparece una importante interferencia proactiva (efecto negativo del aprendizaje previo sobre el nuevo aprendizaje). Esta alteración puede objetivizarse en pruebas como el aprendizaje de la lista de palabras de Rey. En esta prueba se le ofrece al sujeto una primera lista de palabras que debe aprender, luego se le da una segunda lista para memorizar. Los pacientes con lesiones frontales evocan equivocadamente palabras de la primera lista durante el recuerdo de la segunda.

- Dificultades en la búsqueda de información semántica
En los sujetos con lesiones frontales aparecen fallas en las pruebas que involucran la búsqueda o generación de palabras. Estos deficit anómicos se relacionan más frecuentemente con lesiones izquierdas. Se encuentran déficits significativos en pruebas tales como la fluencia verbal.

- Metamemoria
La metamemoria, es decir el conocimiento subjetivo acerca de nuestra propia memoria, estaría alterada en los sujetos con lesiones frontales.

- Memoria para contexto temporal (ver fig 11)
Según Squire14, el lóbulo frontal realiza su computación de varias clases de información, las cuales son analizadas concurrentementes para otros propósitos por otras regiones cerebrales. La corteza frontal cruza información para ser recordada en el contexto apropiado, que es en el correcto ordenamiento temporal y con  referencia a otra coincidencia de eventos temporales y espaciales. En el prefrontal no se archivarían eventos sino la experiencia cumulativa  necesaria para resolver los problemas.

Trastornos atencionales en lesiones prefrontales (ver fig 12)
El lóbulo frontal siempre fue considerado importante para las funciones atencionales.
- Dirección de la Atención:
El rol de los lóbulos frontales en la dirección de la atención comenzó a delinearse a partir de los estudios de los síndromes de heminegligencias. Mientras los lóbulos parietales son importantes en el aspecto perceptual de la hemi-inatención, y las regiones límbicas en el aspecto motivacional, la región frontal derecha ha sido relacionada al aspecto motor. Las lesiones prefrontales serían responsables de las negligencias intencionales o hemiakinesia22.

- Atención selectiva:
El rol de la corteza prefrontal en la atención selectiva fue demostrada en múltiples trabajos como los de Knight y col23 que estudiaron la respuesta P300 ante nuevos estímulos. La corteza prefrontal dorsolateral ha sido propuesta como responsable del control inhibitorio de las respuestas.

- Atención sostenida:
Los pacientes con lesiones frontales muestran dificultades en el sostenimiento de la atención. Glosser y Godglass24 demostraron diferencias significativas en el Continuous performance test entre pacientes con daño posterior y aquellos con daño frontal.

Los modelos cognitivos, la atención y la memoria en la corteza frontal

La sintomatología de los pacientes con lesiónl prefrontal puede interpretarse según diferentes modelos: del de un sistema atencional supervisor que participa en actividades no rutinarias (Norman y Shallice, 1986 25), el de una memoria operativa o de trabajo con un sistema ejecutivo central (Baddley,1974 19) cuya alteración determinaría los "síndromes disejecutivos", y el de las unidades administradoras del conocimiento almacenadas como "memorias" en el cortex prefrontal (Grafman, 1994 8-10).

- Norman y Shallice25 intentaron explicar el rol de la corteza prefrontal en la conducta a través de un modelo de control atencional. (ver fig 13 y 14). En este las informaciones específicas que ingresan del medio externo son requeridas para activar y subsecuentemente determinar una conducta. Frecuentemente se presentan juntas muchas informaciones y si se activaran varios esquemas simultáneamente se generarían conductas caóticas. Shallice postuló dos mecanismos adaptativos para regular esta situación, el programa de arbitraje y el sistema atencional supervisor. El mecanismo llamado "programa de arbitraje" opera en forma automática y directa sobre el conjunto de conocimientos que se desencadenan a partir de estímulos del medio externo o interno, seleccionando de acuerdo a prioridades y claves aprendidas precedentemente. Este método es útil y efectivo cuando se está frente a rutinas bien conocidas. El segundo mecanismo adaptativo llamado "Sistema supervisor atencional" opera en forma conciente sobre los conocimientos para sobreponerse a las asociaciones automáticas cuando el estímulo o los objetivos son noveles. La homeostasis entre los dos sistemas atencionales es crítica para mantener las conductas convencionales, sociales y emocionales en interacción con el medio. En las lesiones frontales el "programa de arbitraje" se mantendría intacto y se alteraría el "sistema supervisor atencional". Es así que los pacientes tienen problemas en el control de las acciones dirigidas hacia un fin y simplemente responden en forma automática lo que les dispara el estímulo (tendencia a la sobrerrespuesta a las demandas del medio interno o externo). Esto hace que los sujetos se comporten mejor en situaciones familiares que en las no familiares y que no puedan fijar nuevas reglas cuando la fuerza de los estímulos los impulsa a responder en forma familiar y rutinaria aún cuando esta respuesta sea inapropiada, dando lugar a la impulsividad y a la alteración de las conductas.

- En 1974 Baddeley y Hitch19 desarrollaron un modelo de "memoria a corto plazo", llamada "memoria operativa o de trabajo" (ver fig.8). Esta memoria es un espacio de trabajo o "buffer" en la cual se mantiene la información mientras está siendo procesada para alguna actividad cognitiva. Este sistema esta compuesto de un "administrador o ejecutivo central" y  dos sistemas "buffer": el "bucle articulatorio" y la "agenda visuo-espacial". Los sistemas "buffer" son dos sistemas temporarios empleados en la creación y uso del material verbal ("bucle articulatorio") o visuoespacial ("agenda visuo-espacial"). El componente principal es el "administrador o ejecutivo central" que es un sistema de control atencional que supervisa y ordena la información proveniente de los dos "sistemas buffers" y sirve para seleccionar una parte de la información a fin de realizar las pruebas cognitivas más exigentes. El ejecutivo central es responsable de la selección de estrategias y del planeamiento, y depende del sistema prefrontal.

- Grafman8-10 propone el concepto de las unidades administradoras del conocimiento (UAC), las cuales gobiernan nuestra cognición, socialización y las acciones complejas llamadas funciones ejecutivas. Desde hace tiempo, las ciencias cognitivas intentan entender cómo se representa en la memoria una "serie compleja de eventos (SCE)" que ocurre en nuestra vida. En este modelo, una unidad de conocimiento representa un sólo aspecto o rasgo de información (significado de una palabra o una forma geométrica). Estas unidades de conocimiento se insertan dentro de una estructura mayor, las SCEs que contienen diferentes niveles de información. Determinado tipo de SCE incorporaría la representación de experiencias pasadas y la anticipación de consecuencias futuras, formándose así macroestructuras del conocimiento. Estas macrounidades (UAC) que abarcarían la suma total de conocimientos sobre los significados y propósitos de una serie de eventos, modularían las acciones complejas (conducta cognitiva, social y emocional) y se archivarían en la corteza prefrontal.

Así la corteza prefrontal juega un rol crítico en el control atencional y en el archivo mnésico necesario para supervisar y modular el procesado sensoriomotor y las acciones complejas básicas de la conducta humana.
 

BIBLIOGRAFÍA
1. Fuster JM. The prefrontal cortex. New York, Raven Press, 1980.
2. Shallice T. From neuropsychology to mental structure, 1988. New York City: Cambridge University Press, 1-462.
3. Shallice T y P Burgess. High order cognitive impairments and frontal lobe lesions, in Frontal lobe function and dysfunction HS Levin, HM Eisenberg and AR Benton, eds 1991, Oxford University Press: New York. 125-138.
4. Goldman-Rakic P. Circuit of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory, in Handbook of Physiology- The nervous system. 1987, American Physiological Society. Washington DC p, 373-417.
5. Goldman-Rakic P. Working memory and the mind. Scientific American, 1992. 267 (3) 110-117.
6. Stuss DT y Benson DF. The Frontal Lobes. New York. Raven Press, 1986.
7. Luria AR and LS Tsvetkova, The Neuropsychological Analysis of Problem Solving. 1990 (translation), Orlando: Paul M Deutsch Press, Inc 1-230.
8. Grafman J. Plans, Actions and mental sets: Managerial knowledge units in the frontal lobes, in Integrating theory and practice in clinical neuropsychology, E.Perecman, Editor. 1989, Lawrence Erlbaum Associates: Hillsdale, New Jersey, p 93-138.
9. Grafman J. Alternative frameworks for the conceptualization of prefrontal lobe functions, in Handbook of Neuropsychology. F.Boller and J.Grafman, de. 1994. Elsevier Science Publishers: Amsterdam p 187-202.
10. Grafman  J, Holyoak K and Boller F (Eds) Structure and Functions of the Human prefrontal cortex. New York: New York Academy of Sciences, Volume 769, 1995.
11. Cummings JL. Clinical Neuropsychiatry. Allyn and Bacon 1985.
12. Blum RA. Effects of subtotal lesions of frontal granular cortex on delayed reaction in monkeys. Arch.Neurol.Psychiatry 67: 375-386, 1952.
13. Mishkin M. Effects of small frontal lesions on delayed alternation in monkeys.J.Neurophysiol.20: 615-622,1957.
14. Squire L. Prefrontal cortex. In Memory and Brain. Oxford University press 1987.
15. Hecaen H. Mental symptoms associated with tumors of the frontal lobe. In Warren JM, Akert K (Editors), The Frontal Granular Cortex and Behavior. New York: McGraw-Hill Book Company, ch 16 pp 335-352, 1964
16. Damasio AR, Graff-Radford NR, Eslinger PJ, Damasio H, Kassell N. Amnesia following basal forebrain lesions. Arch Neurol 42, 263-271, 1985.
17. Phillips S, Sangalang V, Sterns G. Basal forebrain infarction. A clinico-pathologic correlation. Arch.Neurol. 44, 1134-1138, 1987.
18. Simamura AP. Memory and frontal lobe function. In The cognitive neurosciences. MS Gazzaniga De. The MIT press. Cambridge, Massachusetts, 1995.
19. Baddeley AD and Hitch GJ. "Working memory", in Recent advances in learning and motivation, vol VIII (G.Bower,ed) Academic Press, New York,1974.
20. Baddeley A and Wilson B. Frontal amnesia and the dysexecutive syndrome. Brain and Cognition, 1988, 7: 212 230.
21. Janowsky JS, AP Shimamura, M Kritchevsky and LR Squire. Cognitive impairment following frontal lobe damage and its relevance to human amnesia. behav.Neurosci. 103: 548-560, 1989.
22. Mesulam MM. A cortical network for directed attentiom and unilateral neglect. Ann. Neurol 1981: 10; 309-325.
23. Knight RT, Hillyard SA, Woods DL, Neville HJ. The effects of frontal and temporoparietal lesions on the auditory evoked potentials in man. Electroencephalogr.Clin.Neurophysiol. : 52; 571-582, 1980.
24. Glosser G, Goodglass H. Disorders in executive control functions among aphasic and other brain damage patients. J.Clin.Exp.Neuropsychol.: 12; 485-501, 1990.
25. Norman DA and Shallice T. Attention to action: willed and automatic control of behavior, in Consciousness and Self-regulation: advances in research and theory, RJ Davidson, GE Schwartz and D Shapiro, editors. 1986, Plenum:New York p 1-18.

FIGURAS
 
 


Figura 1




Figura 2



Figura 3



Figura 4



Figura 5



Figura 6



Figura 7



Figura 8



Figura 9



Figura 10



Figura 11



Figura 12



Figura 13



Figura 14