El análisis de las grabaciones mostró que la actividad de las células de lugar se desarrolló de inmediato y se mantuvo fuerte e inalterada durante varios días de exploración. Crédito: Neuroscience News
Resumen: Un nuevo estudio revela cómo el cerebro forma mapas mentales cohesivos de espacios y destaca el papel fundamental del sueño en este proceso. Mientras que las “células de lugar” del hipocampo marcan ubicaciones específicas, las células espaciales más débiles unen estos puntos en un mapa cognitivo integral.
Los investigadores observaron que el sueño refina estos mapas, lo que permite al cerebro conectar ubicaciones y codificarlas en una geografía mental. Este descubrimiento subraya la importancia tanto de la actividad neuronal sutil como del descanso para mejorar nuestra capacidad de orientarnos y planificar nuestro entorno.
Datos clave:
- Células débilmente espaciales: estas células conectan recuerdos de lugares discretos en un mapa mental, esencial para la navegación.
- Papel del sueño: El sueño refina y fortalece las conexiones neuronales, mejorando el mapeo cognitivo.
- Mapas cognitivos: Estos mapas ofrecen representaciones esquemáticas de espacios, lo que permite la exploración y planificación mental.
Fuente: Instituto Picower del MIT
El primer día de vacaciones en una nueva ciudad, las exploraciones le permiten descubrir innumerables lugares únicos. Si bien los recuerdos de estos lugares (como un hermoso jardín en una calle tranquila) son imborrables de inmediato, pueden pasar días antes de que tenga la suficiente intuición sobre el vecindario como para dirigir a un turista nuevo hacia ese mismo sitio y luego, tal vez, hacia el café que descubrió cerca.
Un nuevo estudio en ratones realizado por neurocientíficos del MIT en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria proporciona nueva evidencia de cómo el cerebro forma mapas cognitivos cohesivos de espacios completos y resalta la importancia crítica del sueño para el proceso.
Los científicos saben desde hace décadas que el cerebro dedica neuronas en una región llamada hipocampo a recordar lugares específicos. Las llamadas «células de lugar» se activan de manera fiable cuando un animal se encuentra en el lugar que la neurona está programada para recordar.
Pero más útil que tener marcadores de espacios específicos es tener un modelo mental de cómo se relacionan todos ellos en una geografía general continua.
Aunque estos “mapas cognitivos” fueron teorizados formalmente en 1948, los neurocientíficos no están seguros de cómo los construye el cerebro.
El nuevo estudio publicado en la edición de diciembre de Cell Reports concluye que esta capacidad puede depender de cambios sutiles pero significativos a lo largo de los días en la actividad de células que están débilmente sintonizadas con ubicaciones individuales, pero que aumentan la robustez y el refinamiento de la codificación del hipocampo de todo el espacio.
Con el sueño, indican los análisis del estudio, estas células “débilmente espaciales” enriquecen cada vez más la actividad de la red neuronal en el hipocampo para unir estos lugares en un mapa cognitivo.
«El primer día, el cerebro no representa muy bien el espacio», dijo el autor principal Wei Guo, científico investigador en el laboratorio del autor principal Matthew Wilson, profesor Sherman Fairchild en el Instituto Picower y en los Departamentos de Biología y Ciencias Cerebrales y Cognitivas del MIT.
“Las neuronas representan ubicaciones individuales, pero juntas no forman un mapa. Sin embargo, el día 5 forman un mapa. Si quieres un mapa, necesitas que todas estas neuronas trabajen juntas en un conjunto coordinado”.
Ratones mapeando laberintos
Para llevar a cabo el estudio, Guo y Wilson, junto con sus compañeros de laboratorio Jie “Jack” Zhang y Jonathan Newman, presentaron a los ratones laberintos simples de formas variadas y los dejaron explorarlos libremente durante aproximadamente media hora al día durante varios días. Es importante destacar que no se les pidió a los ratones que aprendieran nada específico mediante el ofrecimiento de ninguna recompensa.
Simplemente vagaban. Estudios anteriores han demostrado que los ratones demuestran de forma natural un “aprendizaje latente” de espacios a partir de este tipo de experiencia no recompensada después de varios días.
Para entender cómo se produce el aprendizaje latente, Guo y sus colegas monitorearon visualmente cientos de neuronas en el área CA1 del hipocampo, diseñando células para que emitieran destellos cuando una acumulación de iones de calcio las hacía eléctricamente activas.
No sólo registraron los destellos de las neuronas cuando los ratones exploraban activamente, sino también mientras dormían. El laboratorio de Wilson ha demostrado que los animales “reproducen” sus viajes anteriores durante el sueño, básicamente refinando sus recuerdos al soñar con sus experiencias.
El análisis de las grabaciones mostró que la actividad de las células de lugar se desarrolló inmediatamente y se mantuvo fuerte e inalterada durante varios días de exploración. Pero esta actividad por sí sola no explicaría cómo evoluciona el aprendizaje latente o un mapa cognitivo a lo largo de varios días.
Entonces, a diferencia de muchos otros estudios en los que los científicos se centran únicamente en la actividad fuerte y clara de las células de lugar, Guo extendió su análisis a la actividad más sutil y misteriosa de las células que no estaban tan fuertemente sintonizadas espacialmente.
Utilizando una técnica emergente llamada “aprendizaje múltiple”, pudo discernir que muchas de las células “débilmente espaciales” correlacionaban gradualmente su actividad no con ubicaciones, sino con patrones de actividad entre otras neuronas en la red.
Mientras esto ocurría, según mostraron los análisis de Guo, la red codificó un mapa cognitivo del laberinto que se parecía cada vez más al espacio físico literal.
“Aunque no responden a ubicaciones específicas como las células fuertemente espaciales, las células débilmente espaciales se especializan en responder a «ubicaciones mentales», es decir, patrones de activación de conjuntos específicos de otras células”, escribieron los autores del estudio.
“Si el campo mental de una célula débilmente espacial abarca dos subconjuntos de células fuertemente espaciales que codifican localizaciones distintas, esta célula débilmente espacial puede servir como puente entre estas localizaciones”.
En otras palabras, la actividad de las células débilmente espaciales probablemente une las ubicaciones individuales representadas por las células de lugar en un mapa mental.
La necesidad de dormir
Estudios realizados por el laboratorio de Wilson y muchos otros han demostrado que los recuerdos se consolidan, se refinan y se procesan mediante la actividad neuronal, como la repetición, que ocurre durante el sueño y el descanso.
Por lo tanto, el equipo de Guo y Wilson intentó comprobar si el sueño era necesario para la contribución de las células débilmente espaciales al aprendizaje latente de mapas cognitivos.
Para ello, dejaron que algunos ratones exploraran un nuevo laberinto dos veces durante el mismo día, con una siesta de tres horas entre cada uno. A algunos ratones se les permitió dormir, pero a otros no. Los que lo hicieron mostraron un refinamiento significativo de su mapa mental, pero los que no pudieron dormir no mostraron tal mejora.
No sólo mejoró la codificación de red del mapa, sino que también las medidas de la sintonización de las células individuales durante el sueño mostraron que las células ayudaron a estar mejor sintonizadas tanto con los lugares como con los patrones de actividad de la red, los llamados “lugares” o “campos” mentales.
Significado del mapa mental
Guo señala que los “mapas cognitivos” que los ratones codificaron a lo largo de varios días no eran mapas literales y precisos de los laberintos, sino que eran más bien esquemas. Su valor es que proporcionan al cerebro una topología que se puede explorar mentalmente, sin necesidad de estar en el espacio físico.
Por ejemplo, una vez que hayas formado tu mapa cognitivo del vecindario alrededor de tu hotel, puedes planificar la excursión de la mañana siguiente (por ejemplo, podrías imaginarte tomando un croissant en la panadería que observaste unas cuadras al oeste y luego imaginarte comiéndolo en uno de esos bancos que notaste en el parque a lo largo del río).
De hecho, Wilson planteó la hipótesis de que la actividad de las células poco espaciales podría estar superponiéndose a información no espacial relevante que aporta significado adicional a los mapas (es decir, la idea de una panadería no es espacial, aunque esté estrechamente vinculada a una ubicación específica). Sin embargo, el estudio no incluyó puntos de referencia dentro de los laberintos y no probó ningún comportamiento específico entre los ratones.
Pero ahora que el estudio ha identificado que las células poco espaciales contribuyen significativamente al mapeo, Wilson dijo que los estudios futuros pueden investigar qué tipo de información pueden estar incorporando a la percepción que tienen los animales de su entorno. Parece que intuitivamente consideramos los espacios que habitamos como algo más que conjuntos de ubicaciones discretas.
“En este estudio nos centramos en animales que se comportan de forma natural y demostramos que durante el comportamiento libremente exploratorio y el sueño posterior, en ausencia de refuerzo, aún se producen cambios plásticos neuronales sustanciales a nivel de conjunto”, concluyeron los autores.
“Esta forma de aprendizaje implícito y no supervisado constituye una faceta crucial del aprendizaje y la inteligencia humanos, y justifica investigaciones más profundas”.
Financiación: La Fundación Freedom Together, el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria y los Institutos Nacionales de Salud financiaron el estudio.
Acerca de esta noticia sobre investigación del sueño y la neurociencia
Autor: David Orenstein
Fuente: Instituto Picower del MIT
Contacto: David Orenstein – Instituto Picower del MIT
Imagen: La imagen se atribuye a Neuroscience News
Investigación original: Acceso abierto.
“ El aprendizaje latente impulsa la plasticidad dependiente del sueño en distintas subpoblaciones de CA1 ” por Matthew Wilson et al. Cell Reports
Abstracto
El aprendizaje latente impulsa la plasticidad dependiente del sueño en distintas subpoblaciones de CA1
El aprendizaje latente es un proceso que permite al cerebro transformar experiencias en “mapas cognitivos”, una forma de memoria implícita, sin necesidad de entrenamiento reforzado.
Para investigar sus mecanismos neuronales, registramos las neuronas del hipocampo en ratones durante el aprendizaje latente de mapas espaciales y observamos que el espacio de estados neuronales de alta dimensión se transforma gradualmente en una variedad de baja dimensión que se asemeja mucho al entorno físico.
Este proceso de transformación está asociado con la reactivación neuronal de las experiencias de navegación durante el sueño.
Además, identificamos un subconjunto de neuronas del hipocampo que, en lugar de formar campos de lugar en un entorno nuevo, mantienen una sintonización espacial débil pero desarrollan gradualmente una actividad correlacionada con otras neuronas.
La correlación elevada introduce redundancia en el código del conjunto, transformando el espacio de estados neuronales en una variedad de baja dimensión que vincula efectivamente campos de lugar discretos de células de lugar en una estructura similar a un mapa.
Estos resultados sugieren un mecanismo potencial para el aprendizaje latente de mapas espaciales en el hipocampo.
