GPS del cerebro
Créditos de las imagenes: PR Section – Weizmann Institute .
Cuando el GPS del cerebro se queda sin conexión. Un nuevo estudio sobre murciélagos revela novedades inesperadas del espacio tridimensional en el cerebro.
En el nuevo estudio publicado hoy en Nature, los investigadores deIsrael revelaron por primera vez cómo el sistema GPS del cerebro representa el espacio tridimensional en la corteza de los mamíferos.
El equipo de investigadores, dirigido por el profesor Nachum Ulanovsky, se sorprendió al descubrir que esta representación es muy diferente de la forma en que se representa el espacio bidimensional, lo que dio vuelta a varias hipótesis de larga data.
Los mamíferos, incluidos los humanos, conocen su posición en el espacio debido a varios tipos de neuronas especializadas en el hipocampo y su vecino de al lado, la corteza entorrinal, regiones ubicadas en el interior del cerebro.
Las células de dirección de la cabeza, las brújulas internas del cerebro indican al animal la dirección en la que gira la cabeza.
Las células de lugar, pensadas para construir un mapa mental del entorno, se activan cuando un animal cruza un lugar específico. Las células de la cuadrícula, por el contrario, responden no a una, sino a múltiples ubicaciones, y se cree que proporcionan al cerebro una especie de sistema GPS.
El estudio de las celdas de la cuadrícula y el GPS del cerebro fue galardonado con el Premio Nobel en 2014.
Sin embargo, estos y otros estudios se centraron únicamente en cómo se representan dos dimensiones y dijeron muy poco sobre la representación del espacio tridimensional.
Para cerrar esta brecha, Ulanovsky y sus colegas se propusieron dilucidar cómo las células de la cuadrícula actúan en tres dimensiones en murciélagos que se comportan libremente.
En el pasado, cuando se estudiaron las celdas de la cuadrícula en roedores que corrían sobre superficies bidimensionales, se descubrió que se activaban en múltiples áreas circulares, conocidas como campos de disparo, que están dispuestas en un patrón hexagonal simétrico, que se asemeja al papel milimetrado para gráficos. la superficie.
Esta simetría y periodicidad incomparables sugieren que estas células pueden estar involucradas en cálculos espaciales geométricos que forman el núcleo del GPS cerebral.
La corteza entorrinal, donde se encuentran las células de la rejilla, es el área del cerebro que se ve afectada por primera vez en la enfermedad de Alzheimer, y es posible que la desorientación espacial, una de las primeras manifestaciones de la enfermedad de Alzheimer, se deba a la disfunción de las células de la rejilla y a la pérdida del “papel milimétrico” hexagonal de las celdas de la cuadrícula.
Matemáticamente, la forma óptima de empaquetar círculos en dos dimensiones es en un patrón hexagonal, como un panal: esta es posiblemente la razón por la que los campos circulares de disparo de las celdas de la cuadrícula están representados en el cerebro en una red hexagonal cuando los animales caminan sobre dos dimensiones.
Por lo tanto, los investigadores esperaban que el patrón de actividad en tres dimensiones fuera igualmente simétrico y hexagonal.
“Nosotros y muchos otros investigadores planteamos la hipótesis de que veríamos bolas apiladas hexagonalmente, como naranjas en una tienda de comestibles apiladas ordenadamente en una pirámide, o cualquier otro arreglo tridimensional extremadamente ordenado”, dice Ulanovsky.
Para probar esta hipótesis, los investigadores, dirigidos por la estudiante de doctorado Gily Ginosar, junto con la Dra. Liora Las, registraron la actividad de las celdas de rejilla en murciélagos que tenían pequeños dispositivos móviles montados en sus cabezas, mientras los murciélagos volaban alrededor de una habitación del tamaño de una gran sala.
Las estaciones de alimentación a diferentes alturas aseguraron que cada murciélago cubriera la mayor parte del volumen de la habitación en cada carrera.
Una vez que comenzaron a llegar los datos, los investigadores vieron que las celdas de la cuadrícula no se comportaban como se esperaba al responder a coordenadas tridimensionales.
“La cuadrícula global bien ordenada que es el sello distintivo de su actividad bidimensional desapareció por completo”, explica Ulanovsky.
En cambio, los campos de disparo tridimensionales de las celdas de la cuadrícula, en este caso con forma de esferas en lugar de círculos, estaban empaquetados como una caja llena de canicas.
No estaban completamente desordenados, pero ciertamente estaban menos organizados que el equivalente tridimensional de una celosía hexagonal, ya que la nueva disposición permitía a las “canicas” algunos grados adicionales de libertad.
Mientras que faltaba un orden global notable, las esferas se comprometían con un orden local en el que la distancia entre una esfera y sus vecinas más cercanas permanecía constante.
Para ofrecer una explicación mecanicista de este fenómeno de orden local en lugar de global, el equipo experimental colaboró con los teóricos Dr. Johnatan Aljadeff, el Prof. Haim Sompolinsky y el Prof. Yoram Burak.
Juntos construyeron un modelo que utiliza principios, tomados de la física estadística, que describen la interacción entre partículas.
El modelo reveló que los campos de disparo esféricos de las celdas de la cuadrícula parecen interactuar casi de la misma manera que lo hacen las partículas: se “atraen” unas a otras cuando están a distancia y son “repelidas” una vez que se acercan demasiado.
En particular, el equilibrio de fuerzas que actúan sobre las partículas podría explicar el orden local que mantuvo las esferas a distancias locales constantes entre sí, evitando al mismo tiempo cualquier red global.
En comparación con otros modelos que se utilizaron en el pasado para predecir la organización tridimensional de los campos de disparo de las celdas de la cuadrícula, el nuevo modelo fue el más fiel a los datos experimentales.
En conjunto, los sorprendentes datos experimentales y el modelo teórico ofrecen una nueva forma de ver la base neuronal de la navegación tridimensional y el papel que juegan las celdas de la cuadrícula en este proceso cognitivo.
Si bien los modelos anteriores extrapolaron una disposición tridimensional similar de la cuadrícula bidimensional, el trabajo de Ulanovsky y sus colegas y su modelo de “caja de canicas” muestran que las cosas son mucho más complejas.
Dado que no se forma una red periódica en el espacio tridimensional, será necesario revisar las teorías clásicas para comprender el intrigante comportamiento de las celdas de la cuadrícula.
En la imagen:
Orden local y desorden global. El trabajo anterior mostró un orden tanto local como global para caracterizar la representación del espacio bidimensional y lo mismo se predijo para tres dimensiones. Sin embargo, el nuevo estudio encontró que el espacio tridimensional no tiene una red global, pero mantiene el orden local.