La reactivación en el hipocampo podría respaldar la consolidación de mapas cognitivos a largo plazo
(Izquierda) Las células de lugar del hipocampo fotografiadas con imágenes de dos fotones están (centro) secuencialmente activas en ubicaciones particulares a medida que un ratón corre por el entorno: cada marca en el El gráfico de la derecha corresponde a la actividad de una celda en particular en uno de los 7 recorridos que se muestran. Las celdas y los gráficos de trama están codificados por colores según la selectividad del lugar preferido. (Derecha) luego, cuando el animal está sentado en silencio, estas neuronas reproducen espontáneamente su secuencia de lugar previamente aprendida. Crédito: Grosmark et al.
El hipocampo es un área del cerebro conocida por desempeñar un papel clave en la codificación de los recuerdos a largo plazo. Además de contribuir a la formación de recuerdos relacionados con eventos, esta región del cerebro apoya la creación de los llamados mapas cognitivos. Estos son mapas mentales del mundo que guían a los humanos mientras navegan por entornos conocidos; por ejemplo, mostrándoles cómo llegar de un lugar a otro.
Estudios anteriores de neurociencia han descubierto que las células de lugar del hipocampo, neuronas que codifican secuencialmente información relacionada con espacios cercanos mientras los humanos y los animales los exploran, tienden a «reproducir» las mismas secuencias de actividad después de la exploración. Este proceso fascinante se asemeja a la forma en que los humanos pueden rebobinar y reproducir una canción que grabaron en una cinta de casete antigua.
Investigadores del Centro Médico de la Universidad de Columbia han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga los patrones de reactivación en el hipocampo. Además, al examinar las células de posición del hipocampo en el cerebro del ratón mientras los ratones completaban tareas de aprendizaje de recompensa espacial y, posteriormente, mientras descansaban. Su artículo, publicado en Nature Neuroscience, sugiere que los patrones de reactivación en el hipocampo juegan un papel crucial en la consolidación de mapas cognitivos imparciales a lo largo del tiempo.
«Curiosamente, a diferencia de las secuencias de lugar relacionadas con la exploración, los eventos de reactivación secuencial en el hipocampo ocurren durante períodos de inactividad y continúan ocurriendo incluso en un entorno diferente al que se está reproduciendo», dijo a Medical Xpress Andres D. Grosmark, investigador principal del estudio. «También ocurren en una escala de tiempo más rápida que las secuencias relacionadas con la exploración, de modo que, por ejemplo, una secuencia que tomó 10 segundos durante la exploración puede reproducirse en solo medio segundo».
El hecho de que Las neuronas del hipocampo parecen estar participando en un viaje mental virtual, lo que sugiere que, de hecho, pueden estar «ensayando» las secuencias espaciales que los sujetos aprendieron mientras exploraban su entorno circundante. Los neurocientíficos han formulado la hipótesis de que los patrones de reactivación ayudan a que los nuevos recuerdos sean permanentes, a través de un proceso conocido como consolidación de la memoria.
«Es importante destacar que no todas las representaciones del hipocampo son permanentes, de hecho, incluso en el mismo entorno exacto, algunas neuronas codifican establemente por el espacio, mientras que otras neuronas cambian su selectividad espacial día a día», dijo Grosmark. «Presumimos que cuantas más repeticiones participen las neuronas individuales, más duraderas y estables serán sus representaciones».
Para probar su hipótesis, Grosmark y sus colegas tuvieron que superar una serie de limitaciones técnicas. Más específicamente, hasta ahora, los neurocientíficos podían estudiar la reproducción de la memoria (es decir, los patrones de reactivación en el hipocampo) en detalle o monitorear los cambios generales en el hipocampo en el transcurso de varios días. Para investigar si la cantidad de reproducción en la que participan las neuronas del hipocampo afecta la estabilidad de las representaciones neuronales que crean, los investigadores tuvieron que estudiar ambos aspectos simultáneamente. Por lo tanto, emplearon dos métodos para estudiar la memoria a largo plazo en ratones, a saber, imágenes de calcio y electrofisiología.
«Esto nos permitió aprovechar la capacidad de la electrofisiología para observar dinámicas de escala de tiempo muy rápidas, incluida la reproducción, con la capacidad de seguir poblaciones de neuronas durante varias semanas asociadas con técnicas de imágenes de calcio», dijo Grosmark. «En nuestro estudio, combinamos imágenes de calcio y electrofisiología para rastrear la formación y consolidación de memorias espaciales en grandes poblaciones de neuronas del hipocampo en ratones durante un período de dos semanas».
El primer método utilizado por los investigadores es la formación de imágenes de calcio, una técnica de microscopía que permite a los científicos detectar ópticamente la actividad neuronal. Las imágenes de calcio usan técnicas virales para hacer que las neuronas expresen fluoróforos sensibles al calcio, de modo que cambien brevemente de color cuando se activan.
«Usando algunos láseres y óptica bastante sofisticados, esto nos permite rastrear la actividad de grandes poblaciones de neuronas en ratones despiertos y activos», dijo Grosmark. «Una de las principales ventajas de las imágenes de calcio es que, dado que se observan físicamente las neuronas, se pueden rastrear durante un largo período de tiempo».
La segunda técnica empleada por Grosmark y sus colegas, llamada electrofisiología neuronal, implica el uso de cables muy pequeños para registrar la actividad eléctrica dentro del cerebro. Medir esta actividad eléctrica permite a los neurocientíficos monitorear los cambios que ocurren en áreas específicas del cerebro o en el cerebro como un todo.
«Esta técnica tiene dos ventajas clave», explicó Grosmark. «En primer lugar, registra señales eléctricas muy rápidamente, lo que nos permite observar cambios muy rápidos o muy breves en la actividad del cerebro. En segundo lugar, las décadas de experiencia en el uso de la electrofisiología nos permiten utilizar la actividad eléctrica observada para decodificar estados cerebrales, como como los estados en línea y fuera de línea».
La actividad cerebral se puede dividir en dos categorías principales: actividad en línea y fuera de línea. Los estados en línea ocurren cuando los humanos o los animales interactúan activamente con el mundo que los rodea, por ejemplo, mientras exploran su entorno o completan una tarea. Los estados fuera de línea, por otro lado, son períodos en los que los humanos y los animales se desconectan del mundo.
«Un ejemplo de un estado fuera de línea es el sueño; sin embargo, los estados fuera de línea que investigamos en nuestro estudio fueron espontáneamente períodos de ‘descanso tranquilo’, cuando los ratones estaban despiertos pero sentados en silencio», dijo Grosmark. «Más allá de las diferencias de comportamiento externas, los estados en línea y fuera de línea también se pueden distinguir fácilmente por los patrones únicos de las oscilaciones de la actividad cerebral observadas durante estos estados. Se cree que estos diferentes regímenes cerebrales respaldan diferentes funciones».
Como es el aprendizaje típicamente asociado con una exploración activa del entorno, se cree que tiene lugar durante los estados en línea. Por otro lado, se cree que los estados fuera de línea son importantes para consolidar los recuerdos y el conocimiento adquirido durante la exploración (es decir, en estados en línea).
«Si bien estamos de acuerdo con este marco general, nuestros resultados sugieren que en lugar de simplemente consolidando pasivamente los recuerdos, los estados fuera de línea desempeñan un papel activo en la selección de qué recuerdos se vuelven permanentes y, por lo tanto, desempeñan un papel complementario en el aprendizaje, en comparación con los estados en línea», explicó Grosmark.
Durante las últimas décadas, un aumento Varios estudios de neurociencia han explorado cómo se fortalecen en el cerebro los recuerdos de las acciones recompensadas. En contraste con las teorías anteriores, Grosmark y sus colegas plantearon la hipótesis de que para apoyar el aprendizaje de comportamientos flexibles, el cerebro también debería incorporar información que no tiene un valor de recompensa obvio en el momento en que se adquiere.
» Por ejemplo, cuando caminamos por una ciudad nueva, podemos encontrarnos repetidamente yendo del punto A al punto Byet durante las muchas veces que tomamos esta ruta, construimos lentamente un mapa detallado de todos los puntos intermedios, incluso si en realidad, nunca me detuve lo suficiente como para apreciarlos», dijo Grosmark. «A su vez, cuando nuestro horario cambia y en su lugar queremos ir de A a C, este mapa ‘latente’ que hemos construido en silencio puede resultar realmente útil. Además, el aprendizaje no ocurre en el vacío; ocurre dentro de un ciclo constante de participación y desconexión del mundo que nos rodea, correspondiente a lo que llamamos estados en línea y fuera de línea».
En sus experimentos, los investigadores observaron que el reclutamiento de neuronas del hipocampo para el post-aprendizaje los eventos de reactivación de hecho predijeron su estabilidad a largo plazo varios días después. Además, este efecto de consolidación solo se observó para representaciones espaciales de ubicaciones alejadas de donde los animales habían sido recompensados. Esto sugiere que la consolidación de la memoria fuera de línea fortalece selectivamente las representaciones neuronales que son menos importantes desde el punto de vista del comportamiento y, por lo tanto, susceptibles de ser olvidadas.
«Estamos muy entusiasmados de que nuestro estudio conduzca a nuevos conocimientos sobre los roles que estos diferentes participan y los estados desvinculados juegan en el aprendizaje, dando como resultado cooperativo memorias a largo plazo cognitivamente amplias que son útiles tanto para encontrar el camino de regreso a lugares importantes como para llegar de manera flexible a nuevos destinos inesperados», dijo Grosmark.
Los hallazgos podría mejorar significativamente la comprensión actual de cómo los animales y los humanos consolidan mapas mentales de su entorno a lo largo del tiempo. En el futuro, podrían allanar el camino para más estudios que examinen los patrones de reactivación en el hipocampo, lo que podría conducir a nuevos descubrimientos importantes.
«El hecho de que la consolidación de la memoria parece estar desempeñando un papel único y activo en el aprendizaje abre caminos emocionantes con respecto a cómo se esculpe el contenido de la memoria a largo plazo», agregó Grosmark. «Ahora planeamos descubrir los mecanismos del circuito neuronal que subyacen a este proceso de selección fuera de línea y examinar cómo se desregulan en las enfermedades mentales que se sabe que afectan la memoria a largo plazo».
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El cerebro humano reproduce nuevos recuerdos a una velocidad 20 veces mayor durante el descanso despierto Más información: Andres D. Grosmark et al, Reactivation predice la consolidación de mapas cognitivos imparciales a largo plazo , Naturaleza Neurociencia (2021). DOI: 10.1038/s41593-021-00920-7 Información de la revista: Nature Neuroscience
2021 Science X Network
Cita: Reactivación en el hipocampo podría apoyar la consolidación de mapas cognitivos a largo plazo (8 de noviembre de 2021) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-reactivation-hippocampus-long-term-cognitive.html Este documento es sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.