Células de la cuadrícula: poner ratas en sus lugares y (quizás) un significado en la vida - Las Ciencias - 2020

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Anonim

Bienvenido a La mente importa. A continuación, en un apasionante par de publicaciones sobre cómo los mecanismos neuronales de la navegación también pueden ser la base de la memoria y la cognición, los neurocientíficos James J. Knierim y A. David Redish proporcionan la primera entrega de La mente importa , el nuevo blog experto de sciam.com sobre las ciencias de la mente y el cerebro. La mente importa ofrece algo único: cada semana, los mejores investigadores en neurociencia, psiquiatría y psicología discutirán los últimos artículos de estas disciplinas con los lectores. Explicarán los nuevos hallazgos más importantes de su campo, y discutirán lo que ellos, como investigadores y investigadores observadores, encuentran más importantes, emocionantes, enloquecedores, extraños, curiosos o de cualquier otra manera notables en la investigación que impulsa sus campos. La mente importa trae los resultados más intrigantes de la ciencia y los rompecabezas directamente al público. Los visitantes del blog pueden observar y participar en el tipo de discusión, informada pero informal, relajada pero rigurosa, que los científicos comparten en salas de seminarios y pasillos en conferencias científicas. Esperamos que te unas a nosotros. - David Dobbs, editor, La mente importa
El artículo de esta semana: "Microestructura de un mapa espacial en la corteza entorrinal", de Torkel Hafting, Marianne Fyhn, Sturla Molden, May-Britt Moser y Edvard I. Moser, del Centro para la Biología de la Mente, Trondheim, Noruega; desde Naturaleza 11 de agosto de 2005.

Orden proyectado: una representación de las ubicaciones que activan una celda de la cuadrícula en el cerebro de una rata. Las manchas están separadas aproximadamente 20 pulgadas (50 cm) entre sí. Ilustración de Hafting, Fyhn, Molden, Moser y Moser, usada con permiso.


Introducción

por David Dobbs
Mientras que "la microestructura de un mapa espacial en la corteza entorrinal" (o "el papel de la cuadrícula", como lo llaman muchos neurocientíficos) sorprendió a muchos neurocientíficos como un aturdidor absoluto, un laico puede encontrar fácilmente el papel tan accesible como su título. El problema radica en la compleja y ondulante belleza del descubrimiento que informaron los autores. Encontraron en el cerebro de la rata un grupo de neuronas que se proyectan a través del entorno de la rata decenas de miles de cuadrículas virtuales, cada una compuesta de triángulos equiláteros. No hay dos de estas cuadrículas con el mismo tamaño o ubicación, y cada una está vinculada a una sola celda de cuadrícula. Cada vez que la cabeza de la rata pasa sobre uno de los muchos vértices de la cuadrícula (los puntos en la figura de arriba), la celda de cuadrícula asociada se dispara. El sistema parece permitir que la rata rastree constantemente su posición en el mundo. Esta breve descripción no le hace justicia al sistema de celdas de la cuadrícula, razón por la cual los científicos cognitivos James Knierim y A. David Redish explican los hallazgos e implicaciones de este artículo seminal con más detalle a continuación. Como lo sugieren la descripción de Knierim y el comentario de Redish (en la siguiente publicación), el sistema de celdas de cuadrícula parece hacer mucho más que decirle a una rata su ubicación; bien puede ser la clave de cómo la rata, y también los humanos, le dan sentido a la memoria.

Células de la cuadrícula: El papel cuadriculado del cerebro, y luego algunos

Descripción y comentario por James J. Knierim, Ph.D. Escuela de Medicina de la Universidad de Texas, Houston
En el thriller cinematográfico 2001. Recuerdo, el personaje principal sufre una lesión cerebral que lo hace incapaz de recordar eventos por más de un minuto. Este tipo de amnesia es bien conocido por los neurólogos y neuropsicólogos que estudian a pacientes con daño en el hipocampo, una de las partes más antiguas del cerebro, y un área relacionada de la corteza circundante, el lóbulo temporal medio. Estos pacientes recuerdan eventos de sus historias de vida que ocurrieron antes de sus lesiones, pero no pueden formar recuerdos duraderos de nada que ocurra después. Sus historias de vida, por lo que recuerdan, terminaron poco antes del inicio de su desorden. Navegación como memoria Exactamente cómo el sistema de memoria del lóbulo temporal medio crea y almacena estas memorias autobiográficas, llamadas memorias episódicas, ha desconcertado y fascinado a los científicos durante muchos años. Las pistas provienen de estudios de amnésicos humanos y sujetos normales, así como de estudios en animales. Un gran avance se produjo en la década de 1970, cuando John O'Keefe y Jonathan Dostrovsky (ahora en el University College London y en el Toronto Western Research Institute, respectivamente) descubrieron que las neuronas en el hipocampo muestran disparos específicos del lugar. Es decir, una "célula de lugar" dada, como O'Keefe apodó estas neuronas del hipocampo, dispararía vigorosamente los potenciales de acción (los impulsos eléctricos breves que las neuronas usan para comunicarse) cada vez que una rata ocupaba una ubicación específica, pero permanecía en silencio en otra parte. Por lo tanto, cada celda de lugar disparó solo para una ubicación, como lo haría una alarma antirrobo atada a una baldosa en particular en un pasillo. Hallazgos similares se han reportado posteriormente en otras especies, incluidos los humanos. Estos hallazgos notables llevaron a O'Keefe y Lynn Nadel (en aquel entonces al University College London, ahora en la Universidad de Arizona en Tucson) a proponer, en 1978, que el hipocampo era el lugar neuronal de un "mapa cognitivo" del medio ambiente. Desde su punto de vista, las células del lugar del hipocampo desempeñaban una función neurológica y cognitiva crucial, organizando los diversos aspectos de la experiencia en el marco de las ubicaciones y contextos en los que ocurrían los eventos. Este marco contextual permitió que las relaciones entre los diferentes aspectos de un evento se almacenaran de una manera que permitiera su posterior recuperación de la memoria. A lo largo de los años, esta visión particular ha sido muy debatida. Sin embargo, está surgiendo el consenso de que el hipocampo proporciona de alguna manera un contexto espacial que es vital para la memoria episódica. Cuando recuerda un evento pasado, recuerda no solo las personas, los objetos y otros componentes discretos del evento, sino también el contexto espaciotemporal en el que ocurrió el evento, lo que le permite distinguir este evento de episodios similares con componentes similares. Sin embargo, a pesar del estudio intensivo, los mecanismos precisos mediante los cuales el hipocampo crea esta representación contextual de la memoria han eludido a los científicos. Un impedimento principal fue que sabíamos poco sobre las áreas del cerebro que alimentan la mayor parte de su información al hipocampo. Los primeros trabajos sugirieron que la corteza entorrinal, un área de la corteza al lado del hipocampo, contenía neuronas que codificaban el espacio de manera similar al hipocampo, pero con menos precisión. "Esto lo cambia todo". Esta vista ahora se ha vuelto completamente al revés con el asombroso descubrimiento, descrito en el documento en cuestión, de un sistema de "células de cuadrícula" en la corteza entorrinal medial. A diferencia de una celda de lugar, que normalmente se dispara cuando una rata ocupa una ubicación única y particular en un entorno, cada celda de cuadrícula se disparará cuando la rata esté en cualquiera de una serie de ubicaciones que están dispuestas en una cuadrícula hexagonal sorprendentemente regular, algo como si la celda estuviera atada a un número de fichas de alarma espaciadas a distancias específicas y regulares. Las ubicaciones que disparan cada celda de la cuadrícula se organizan en un patrón de cuadrícula preciso y repetitivo compuesto por triángulos equiláteros que forman un mosaico del piso del entorno. (Vea la ilustración de arriba). Imagine que organiza docenas de platos redondos para cubrir un piso en su densidad de empaque óptima, de modo que cada plato esté rodeado por otros seis platos equidistantes; esta disposición imita el patrón de activación vinculado a una celda de cuadrícula determinada. A medida que la rata se mueve alrededor del piso, una celda de cuadrícula en su cerebro se dispara cada vez que la rata se acerca al centro de un plato. Mientras tanto, otras celdas de cuadrícula están asociadas con sus propias cuadrículas hexagonales, que se superponen entre sí. Las rejillas de las celdas vecinas son de dimensiones similares pero están ligeramente desplazadas unas de otras. Estas células de la cuadrícula, concluyen Hafting y sus colegas, probablemente sean componentes clave de un mecanismo cerebral que actualiza constantemente el sentido de la ubicación de la rata, incluso en ausencia de información sensorial externa. Y constituyen la entrada espacial básica que permite al hipocampo crear la activación altamente específica y dependiente del contexto de sus celdas de lugar. Este descubrimiento es uno de los hallazgos más notables en la historia de las grabaciones de una sola unidad de la actividad cerebral. Recuerdo vívidamente la sensación de emoción que sentí cuando leí este documento en mi oficina por primera vez. Inmediatamente me di cuenta de que estaba leyendo una obra de importancia histórica en neurociencia. Nadie había reportado una propiedad de respuesta neural que fuera geométricamente regular, tan cristalina, tan perfecta. ¿Cómo podría esto ser posible? Sin embargo, los datos fueron convincentes. "Esto lo cambia todo", murmuré. Mi entusiasmo se debió en parte a la pura belleza del patrón de respuesta de las celdas de la cuadrícula. Pero también surgió de la creencia de que este fue un paso importante en nuestra búsqueda para comprender cómo el hipocampo podría formar la base de la memoria episódica. Las celdas de la cuadrícula nos permiten saber con certeza qué tipo de información se codifica en una de las entradas principales del hipocampo. A partir de esto, podemos comenzar a crear modelos más realistas de los cálculos que se producen en el hipocampo para transformar estas representaciones de cuadrícula en las propiedades más complejas que se han descubierto acerca de las células ubicadas en las últimas tres décadas. Por ejemplo, diferentes subconjuntos de celdas de lugar están activos en diferentes entornos, mientras que todas las celdas de cuadrícula parecen estar activas en todos los entornos. ¿Cómo se codifica el mapa espacial general por celdas de la cuadrícula en los mapas específicos del entorno (o específicos del contexto) codificados por las celdas de lugar? Además, el descubrimiento de las células de la rejilla afirma enfáticamente que el hipocampo y el lóbulo temporal medial son sistemas modelo sobresalientes para comprender cómo el cerebro construye representaciones cognitivas del mundo "allá afuera" que no están explícitamente vinculadas a ninguna estimulación sensorial. No hay un patrón de puntos de referencia visuales, señales auditivas, entradas somatosensoriales u otras sensaciones que posiblemente podrían hacer que una celda de la cuadrícula se dispare de forma tan cristalina en cualquier entorno. Este patrón de disparo, que es el mismo independientemente de si la rata está en una habitación iluminada o en un lugar extraño y oscuro, debe ser una construcción cognitiva pura. Aunque sin duda se actualizan y calibran mediante la información sensorial de los sistemas sensoriales vestibular, visual y otros, los patrones de activación de las celdas de la cuadrícula no dependen de tales señales sensoriales externas. Algunos han argumentado que las células del lugar del hipocampo eran igualmente independientes, pero la influencia conocida de los puntos de referencia externos en estas células, y su tendencia a disparar en ubicaciones individuales, llevó a otros a argumentar que las células del lugar fueron impulsadas principalmente por combinaciones únicas de puntos de referencia sensoriales que ocurrieron en lugares particulares. Este argumento no puede explicar los patrones de disparo de las celdas de la cuadrícula. Una cuestión de contexto ¿Qué, entonces, explica la dinámica de las celdas de la cuadrícula? Una posibilidad es que estas células estén donde el animal utiliza información sobre su propio movimiento a través del entorno para actualizar su ubicación en su "mapa cognitivo" interno, donde traduce información sobre pequeños cambios recientes en la ubicación en un sentido de dónde se encuentra y donde va en el mundo más grande. El hipocampo, a su vez, puede ser la estructura del cerebro que combina esta representación espacial con otra información sobre los elementos discretos que conforman un evento y, por lo tanto, crea recuerdos de experiencias únicas en contextos espaciotemporales particulares. Esta habilidad es exactamente lo que el protagonista en Recuerdo perdió. El descubrimiento de las células de la cuadrícula ha generado una sensación palpable de excitación, una anticipación que una mayor investigación en las células de la cuadrícula y en la otra entrada importante al hipocampo, la corteza entorrinal lateral, revelará los mecanismos neuronales que nos permiten recordar y dar sentido. nuestras historias personales: un proceso vital que forma la base misma del sentido de identidad.
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HAGA CLIC AQUÍ para leer el comentario que acompaña a A. David Redish en las celdas de la cuadrícula "A través de la cuadrícula, una ventana a la cognición".
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James J. Knierim, Ph.D., es profesor asociado de neurobiología y anatomía en la Escuela de Medicina de la Universidad de Texas en Houston, donde su laboratorio estudia el papel del hipocampo y las estructuras relacionadas en el aprendizaje espacial y la memoria.

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