Estrategia cerebral inesperada vincula dos eventos separados por el tiempo
ARRIBA: ISTOCK.COM, FRANK RAMSPOTT
El cerebro es un maestro en la formación de patrones, incluso cuando se trata de eventos que ocurren en diferentes momentos. Tomemos el fenómeno del condicionamiento del miedo a la huella, los científicos pueden hacer que un animal se dé cuenta de la relación entre un estímulo neutral y un estímulo aversivo separados por un abismo temporal (la huella) de unos pocos o incluso decenas de segundos. Si bien es un protocolo bien establecido en los laboratorios de neurociencia y psicología, el mecanismo por el cual el cerebro une la brecha de tiempo entre dos estímulos relacionados para asociarlos es una de las preguntas más enigmáticas y altamente investigadas, dice el neurocientífico de la Universidad de Columbia, Attila Losonczy.
Si se termina el primer estímulo, la información sobre su presencia e identidad debería mantenerse de alguna manera a través de algún mecanismo neuronal, explica, para que pueda asociarse con el segundo estímulo que viene después.
Losonczy y sus colegas investigaron recientemente cómo podría ocurrir esto en un estudio publicado el 8 de mayo en Neuron. Midieron la actividad neuronal en la región CA1 del hipocampo del cerebro conocida por ser crucial para la formación de recuerdos de ratones expuestos a rastros de condicionamiento del miedo. El equipo descubrió que asociar los dos eventos separados por el tiempo implicaba la activación de un subconjunto de neuronas que se activaban escasamente cada vez que los ratones recibían el primer estímulo y durante el intervalo de tiempo que seguía. El patrón surgió solo después de que los ratones aprendieron a asociar ambos estímulos.
El estudio destaca la importante cuestión de cómo vinculamos los recuerdos a lo largo del tiempo, dice Denise Cai, neurocientífica de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai, quien no participó en la obra. Estudiar los mecanismos básicos de la asociación temporal es fundamental para comprender cómo funciona mal en trastornos como el trastorno de estrés postraumático (TEPT) o la enfermedad de Alzheimer, dice.
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Imágenes de 2 fotones de células piramidales CA1 en el hipocampo de ratónMohsin Ahmed/Losonczy Lab/Columbia Universitys Zuckerman Mind Brain Behavior Institute
Una de las hipótesis prevalecientes para explicar cómo el cerebro conecta dos eventos separados en el tiempo ha sido la existencia de neuronas específicas que se activan durante el tono y continúan disparando después de que cesa durante el período de seguimiento. Esta estrategia se ha observado durante la memoria de trabajo, por ejemplo, en tareas en las que es necesario memorizar temporalmente una imagen o recordar un número de teléfono.
Otra hipótesis influyente ha sido que, durante el período de seguimiento que separa los dos estímulos, las poblaciones neuronales se disparan de manera secuencial, ya través de esta cadena, la información se transporta desde el momento en que se escucha el tono hasta que ocurre la experiencia aversiva. Las neuronas implicadas en este fenómeno secuencial, que suele observarse en intervalos de unos pocos segundos, también se conocen como células del tiempo.
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Losonczy y sus Sus colegas probaron ambas hipótesis al estudiar la actividad neuronal del hipocampo de seis ratones durante la formación de la asociación temporal entre un tono de 20 segundos de duración y un molesto soplo de aire dirigido a sus hocicos 15 segundos después. A los ratones se les privó de agua, se les fijó la cabeza y se los inmovilizó junto a un puerto de agua, desde donde fueron entrenados para lamer por pequeñas recompensas. Solo dejarían de lamer cuando escucharan el tono, una vez que supieran que la bocanada de aire vendría pronto, probablemente debido a una respuesta general de congelación al miedo. Los ratones también fueron expuestos a un segundo tipo de tono no seguido por el soplo de aire. El equipo usó microscopía de dos fotones e imágenes de calcio, un indicador de actividad neuronal para identificar y visualizar entre 158 y 500 neuronas por ratón y registrar cambios en su comportamiento a lo largo del tiempo.
La información de esta actividad neuronal luego se alimentó a un decodificador para que aprendiera a asociar patrones de actividad neuronal al estado de una variable, por ejemplo, la identidad del tono, si correspondía al seguido del estímulo aversivo, o al otro tono. Después de ser entrenado, se le pidió al algoritmo que hiciera predicciones, como la identidad del tono a partir de datos de ensayos experimentales que no se usaron para entrenar el decodificador.
El análisis de decodificación no mostró ninguna evidencia de que las neuronas específicas se dispararan continuamente. o secuencias de celdas de tiempo durante la traza. Definitivamente fue sorprendente, dice Losonczy, que ninguna hipótesis fuera respaldada por sus datos.
Las actividades de las neuronas CA1 en un ratón durante la tarea de aprendizaje, según lo indicado por imágenes de calcioMohsin Ahmed / Losonczy Lab / Columbia Universitys Zuckerman Mind Brain Behavior Instituto
Takashi Kitamura, un neurobiólogo del Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas que no participó en el estudio, dice que especula que no se encontraron sus posibles células de tiempo porque solo podrían ser relevantes cuando el cerebro necesita recordar el tiempo. . Da como ejemplo la tarea de puenteo temporal del condicionamiento del parpadeo, en la que los ratones aprenden a asociar un estímulo condicionado con un soplo de aire aversivo dirigido al ojo, por lo que necesitan parpadear en un momento específico para evitarlo. Aquí importa recordar el tiempo transcurrido entre ambos eventos. Pero si solo vinculo dos eventos con una brecha temporal, probablemente no sea necesario tener celdas de tiempo, dice.
Así que el equipo probó una tercera hipótesis. Le pidieron al decodificador que predijera la identidad del tono en función de la tasa de actividad promedio durante los 35 segundos que abarcan el tono más el período de seguimiento. El decodificador finalmente tuvo éxito en la predicción, y el equipo descubrió que esto se basaba en parte en la información de un subconjunto particular de neuronas que se activaban de forma escasa y estocástica cada vez que se escuchaba el tono. Losonczy dice que esta podría ser una forma de optimizar la eficacia y el consumo de energía, en contraste con la actividad neuronal continua o secuencial, que puede ser bastante costosa, especialmente durante largos intervalos de tiempo.
Kitamura dice que le gusta esta alternativa hipótesis, donde un subconjunto de neuronas sintoniza sus tasas de disparo dependiendo de la identidad del tono. Esto podría estar relacionado con lo que se conoce como la hipótesis del engrama, en la que un grupo de neuronas almacena información de la memoria. Nadie había aplicado esta hipótesis del engrama a la memoria de asociación temporal, dice Kitamura. Sin embargo, agrega, esta idea necesita ser examinada más a fondo, por ejemplo, inhibiendo esta población neuronal y probando si esto resulta en un déficit durante la memoria de asociación temporal.
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Incluso si la actividad de esta población de neuronas vincula dos estímulos a lo largo del tiempo, el mecanismo preciso para la formación de la memoria aún no está claro. Creemos que la plasticidad sináptica está involucrada, dice el coautor Stefano Fusi de la Universidad de Columbia. Si es sináptico, sería genial probarlo directamente, pero es extremadamente difícil estudiar las sinapsis in vivo, especialmente las sinapsis individuales.
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MS Ahmed et al., La reorganización de la red del hipocampo subyace a la formación de una memoria de asociación temporal, Neuron, doi :10.1016/j.neuron.2020.04.013, 2020.