Carol A. Barnes es una neurocientífica estadounidense que es profesora de psicología en la Universidad de Arizona . [1] Desde 2006, ha sido titular de la Cátedra Evelyn F. McKnight de Aprendizaje y Memoria en el Envejecimiento [2] y es directora del Instituto del Cerebro Evelyn F. McKnight. [3] Barnes ha sido presidenta de la Sociedad de Neurociencia [4] y es miembro de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia [ 5] y miembro extranjero de la Real Sociedad Noruega de Ciencias y Letras . [6] Fue elegida miembro de la Academia Nacional de Ciencias en 2018. [7]
Barnes ha producido más de 170 publicaciones revisadas por pares. [8] En términos generales, su investigación se centra en los cambios neurofisiológicos y conductuales que ocurren en el cerebro durante el envejecimiento. La comprensión de estos cambios puede arrojar luz sobre los procesos que contribuyen a los trastornos neurodegenerativos relacionados con la edad, como la enfermedad de Alzheimer . Barnes también desarrolló el laberinto de Barnes , una tarea de memoria de navegación espacial que se utiliza para evaluar la memoria dependiente del hipocampo. [1]
Barnes recibió una Licenciatura en Artes en psicología con honores en la Universidad de California, Riverside , en 1971. Continuó su educación en la Universidad de Carleton ubicada en Ottawa, Canadá, obteniendo su Maestría en Artes en psicología en 1972. En 1977, se graduó cum laude con un Doctorado en psicología de la Universidad de Carleton . Después de su trabajo de posgrado, Barnes tomó un puesto como investigadora postdoctoral en neuropsicología y neurofisiología en el departamento de psicología de la Universidad de Dalhousie , otro en el instituto de neurofisiología de la Universidad de Oslo , así como en función cerebral en University College London . [9]
Barnes ocupa la cátedra de aprendizaje y memoria en el envejecimiento en el Instituto del Cerebro Evelyn F McKnight. También es profesora titular y directora de la División de Sistemas Neuronales, Memoria y Envejecimiento de la Universidad de Arizona en Tucson, Arizona. Barnes forma parte del Instituto BIO5, financiado por el Fondo de Tecnología e Investigación (TRIF). [10] En el instituto BIO5 trabaja con estudiantes que abordan la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades cerebrales relacionadas con la edad. Barnes también enseña biología del cáncer, neurociencia, psicología y ciencias fisiológicas. [11]
Barnes está involucrada con la comunidad de investigación en neurociencia a nivel nacional y local. La investigación de Barnes abarca 4 décadas con el objetivo de comprender mejor el envejecimiento del cerebro en relación con las enfermedades cognitivas. El interés de Barnes por el envejecimiento normativo en el cerebro proviene de su abuelo cuando ella y su familia notaron que su memoria estaba decayendo. [12] Su investigación se lleva a cabo utilizando modelos animales como primates y ratas para explorar y comprender cómo la memoria se ve afectada en el proceso de envejecimiento normal del cerebro y los mecanismos neurobiológicos involucrados. El uso de modelos animales en la investigación de Barnes se traduce en tratamientos utilizados para el funcionamiento anormal del cerebro destinados a prolongar la vida cognitiva de las personas mayores. La naturaleza de la investigación de Barnes implica el uso de técnicas conductuales, anatómicas, electrofisiológicas y moleculares para examinar las implicaciones del envejecimiento normal en el cerebro. [13] La mayoría de las áreas de su investigación implican examinar y observar la estructura del hipocampo en los cerebros de ratas y monos, observar y registrar la transmisión sináptica en la señalización de célula a célula y la secuenciación genómica.
Para estudiar el aprendizaje espacial y la memoria, Carol Barnes utilizó un laberinto para comprobar si los ratones podían recordar la ubicación de una caja de escape en una plataforma. El laberinto de Barnes se ha convertido en una herramienta estándar para evaluar la memoria en los laboratorios. Diseñado en 1979, el laberinto de Barnes era una alternativa para estudiar la memoria sin el uso de recompensas o castigos externos, al tiempo que reducía el estrés que sufría el animal durante el proceso.
El estudio original consistía en una plataforma (122 cm de diámetro) elevada 91 cm por encima del suelo con 18 agujeros circulares (9,5 cm de diámetro) espaciados uniformemente alrededor del perímetro. Bajo uno de los agujeros hay una caja de escape negra, o de cualquier color oscuro en contraste con el color de la plataforma; el resto de los agujeros conducen a falsas cajas de escape.
El estudio consistió en tres variantes del experimento. En primer lugar, el ratón simplemente tenía que encontrar la cámara de escape que estaba situada debajo de uno de los agujeros. En segundo lugar, la cámara de escape se movió a un agujero girado entre 120 y 140 grados con respecto al agujero original; el agujero original se cubrió. En tercer lugar, se utilizó el mismo método que en la segunda variante, excepto que el agujero original no se cubrió. Barnes y su equipo descubrieron que, en general, los ratones machos se desempeñaron mejor en todas las variantes del experimento. Además, descubrieron que los ratones más jóvenes también se desempeñaron mejor en todas las variantes, mientras que los ratones mayores demostraron dificultades notables en las variantes 2 y 3. Esto mostró un deterioro de la memoria espacial por envejecimiento . [14]
Utilizando técnicas de imágenes por resonancia magnética , Barnes y su equipo pudieron ver que en cerebros de roedores con una edad normal, el tamaño del hipocampo no cambiaba, pero sí el volumen de la materia gris cortical . Este modelo animal permitió comprender cómo luce el cerebro durante el funcionamiento normal de los humanos. A partir de este conocimiento, se lo comparó con cerebros que se han degenerado debido a la enfermedad de Alzheimer (los roedores no presentan EA). Estos hallazgos demuestran que durante el envejecimiento normal, el hipocampo mantiene el mismo tamaño, pero su función puede disminuir en comparación con las funciones de otras áreas del cerebro. [15]
Al observar más profundamente el tejido afectado, las imágenes de células individuales mostraron que había tres tipos principales de células que conforman el hipocampo. Al observar la actividad celular y el número de células del hipocampo de ratas, se encontró que las células piramidales CA1 y CA3 seguían activas y tenían el mismo volumen. Sin embargo, el número de células granulares del giro dentado disminuía continuamente con la edad; la función de estas células también se redujo, lo que llevó a Barnes y su equipo a concluir que estas células del giro son el eslabón débil del circuito hipocampal involucrado en la memoria. [16]
Además de su trabajo con modelos de roedores, Barnes ha contribuido a impulsar el campo de la investigación normativa sobre el envejecimiento utilizando modelos de primates no humanos, en concreto, monos macacos . Principalmente, el trabajo inicial de Barnes con macacos ayudó a unir los datos neurobiológicos recopilados de roedores y los datos de imágenes funcionales de humanos mayores. En el artículo "El deterioro de la memoria en primates ancianos se asocia con una disfunción de la red específica de la región", Barnes y su equipo demostraron que los monos mayores tenían un deterioro significativo en el reconocimiento de objetos.
Además, los monos mayores mostraron una menor densidad de interneuronas inhibidoras de somatostatina positivas en la subregión CA3 del hipocampo. Estas interneuronas son responsables de regular la actividad de las neuronas excitadoras en el hipocampo. Con una menor densidad de interneuronas, la tasa de activación basal de las neuronas excitadoras CA3 era elevada. Este hallazgo se relaciona con el aumento de la actividad hipocampal que se muestra en estudios de imágenes de adultos humanos mayores. Tanto una disminución en la densidad de interneuronas como un aumento en las tasas de activación basales en el hipocampo se han asociado con una cognición deficiente. [17]
Además, en el artículo "Evidence for an evolutionarily conserved memory coding scheme in the mammalian hippocampus" (Evidencia de un esquema de codificación de la memoria conservado evolutivamente en el hipocampo de los mamíferos), Barnes y su equipo encontraron evidencia de que todos los mamíferos requieren la misma cantidad de neuronas en el hipocampo para codificar la memoria de una sola experiencia. Este hallazgo sugiere que los mamíferos altos utilizan una cantidad estable de neuronas para codificar una experiencia de realidad virtual similar. Sin embargo, debido al tamaño variable del hipocampo, la proporción de neuronas utilizadas para la codificación de la experiencia difiere. Los roedores tienen el hipocampo más pequeño y, por lo tanto, utilizan el 40% de sus neuronas del hipocampo para la codificación; los primates no humanos tienen un hipocampo más grande y utilizan el 4%; y, finalmente, los humanos tienen el hipocampo más grande y utilizan aproximadamente el 2,5% para la codificación experiencial. [18]
Barnes también ha realizado investigaciones para observar los cambios en la función ejecutiva con el envejecimiento normativo. Las funciones ejecutivas son los procesos de orden superior en los que participan los humanos, como la atención, la toma de decisiones, el control de los impulsos y el control emocional. Estas funciones están mediadas por la actividad de la corteza prefrontal . Una vez más, al estudiar macacos , Barnes y su equipo se centraron en dos aspectos de la función ejecutiva, el seguimiento y la actualización atencional, así como el cambio de conjunto . El seguimiento y la actualización atencional permiten cambios de comportamiento con los cambios de reglas correspondientes. Por ejemplo, cuando se presentan dos opciones, una es la opción correcta inicialmente; sin embargo, cuando la opción correcta cambia a la segunda opción, el seguimiento y la actualización atencional ayudan a corregir el cambio de regla y alterar el comportamiento para elegir correctamente. El cambio de comportamiento está mediado por un proceso de prueba y error, que ayuda a asociar la elección correcta con ciertos comportamientos. Barnes y su equipo descubrieron que los monos mayores necesitaban un mayor número de ensayos para explicar con precisión un cambio de regla. Lo que sugiere que el sistema ejecutivo detrás del seguimiento y la actualización atencional se deteriora con el envejecimiento.
Para estudiar el cambio de conjunto, que es la capacidad de cambiar inconscientemente la atención entre tareas manteniendo la precisión, Barnes presentó a monos macacos una prueba de reconocimiento de objetos previamente aprendidos. Luego presentó objetos que interferían y que requerían cambios entre la elección del objeto y la evaluación de objetos nuevos. Sus resultados mostraron que los monos mayores se desempeñaban mejor en el reconocimiento de objetos con esta interferencia que los monos más jóvenes. Por lo tanto, las capacidades de cambio de conjunto parecen mantenerse, si no mejorar, con el envejecimiento.
Sin embargo, el descubrimiento más importante de estos estudios es que se demostró que los dos aspectos de la función ejecutiva, el control y la actualización y el cambio de conjunto, son sistemas independientes que se ven afectados de manera diferente con la edad. Por lo tanto, Barnes y su equipo sugieren que los cambios en la corteza prefrontal pueden ser resultado del envejecimiento, pero las diferentes subregiones dentro de ella muestran diferentes patrones de envejecimiento. [19]
Una última contribución de investigación de Carol A Barnes implica el estudio de las redes espaciales y las memorias espaciales en macacos envejecidos. Barnes y su equipo estudiaron la actividad cerebral en cuatro condiciones diferentes de movimiento: jaulas, sentados, caminando en una cinta de correr y caminando libremente en el espacio. El estudio descubrió que los macacos más jóvenes tienen redes espaciales distintas para las cuatro condiciones distintas. Sin embargo, los monos mayores mostraron una actividad menos discreta de las redes espaciales. Es decir, todas las condiciones provocaron la activación de la misma red indiferenciada. Este hallazgo sugiere cambios dinámicos en la red como una posible explicación de los déficits de cognición espacial. En otras palabras, las redes de procesamiento espacial se vuelven menos precisas con la edad y pueden contribuir a la pérdida o confusión de la memoria espacial. [20]
Barnes ha sido reconocida por sus pares y por el público en general por su labor de promoción de oportunidades para las mujeres y los desfavorecidos en el campo de la neurociencia. En 2010, recibió el premio Mika Salpeter Lifetime Achievement Award [12], que "reconoce a personas con logros profesionales sobresalientes en el campo de la neurociencia que también han promovido activamente el avance profesional de las mujeres en el campo de la neurociencia". [21]
Además, participa activamente en el Programa de Investigación de Estudiantes de Secundaria Desfavorecidos del NIH, el Acceso de las Minorías a Carreras de Investigación y el Programa de Logros McNair. En 2013, Barnes pronunció un discurso inaugural en la Celebración de las Mujeres en Neurociencia titulado "El rostro cambiante de la neurociencia: el papel de las mujeres y la globalización". [12]