Una nueva investigación encuentra que la actividad neuronal colectiva tiene la forma de la superficie de una rosquilla
Lo que descubrimos fue que la actividad conjunta de la red de celdas de la cuadrícula residía y se movía a lo largo de la superficie de un toroide, una rosquilla. Para la rata despierta, la actividad se movía por la rosquilla en sincronía con el movimiento del animal en la habitación. En cualquier momento dado, los investigadores podrían describir la actividad de la red de la rata por coordenadas en esa rosquilla. Crédito: Helmet y el Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas
Las funciones cerebrales de alto nivel resultan de la orquestación de la actividad entre muchos miles de neuronas en redes neuronales. Para las celdas de cuadrícula, estas conversaciones de redes neuronales dan como resultado nuestra comprensión de la ubicación, nuestra capacidad para navegar y nuestros mapas mentales.
«Este descubrimiento proporciona una de las primeras ideas sobre cómo las células cerebrales funcionan colectivamente, como sociedad. Brinda una visión sin precedentes de cómo las grandes redes de neuronas producen propiedades que no pueden deducirse de las actividades de células individuales. Estos códigos colectivos son la clave de todas las funciones cognitivas de alto nivel del cerebro», dijo Edvard Moser, profesor de neurociencia y codirector del Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU).
Una teoría de cómo el cerebro organiza la información
En neurociencia, la teoría y el experimento van juntos como un mapa y un terreno. Sin un mapa, estarías perdido en lo desconocido. Sin acceso a los paisajes neuronales, te quedas atrapado en especulaciones.
Una de las teorías neurocientíficas más prometedoras de los últimos cincuenta años predice cómo las redes neuronales en el cerebro organizan la información. Propone que las redes neuronales se organizan a sí mismas y que la actividad no se define por la entrada sensorial o motora, sino por la forma específica en que se conectan las células de la red.
Esta teoría se denomina redes atractoras continuas ( CAN), y nunca antes ha sido probado. Probarlo requeriría analizar la actividad registrada simultáneamente de cientos o miles de células en la misma red cerebral, mientras el animal realiza activamente diferentes tareas. Esto no ha sido posible hasta ahora.
Cuatro avances críticos han hecho posible esta investigación.
El Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas de NTNU ha co-desarrollado y descubierto dos de los cuatro avances. La primera es una superherramienta desarrollada recientemente llamada Neuropixels, que brinda a los investigadores acceso a la actividad neuronal de cientos a miles de células, mientras que la segunda es la función cerebral de alto nivel mejor entendida, es decir, la red de células de la cuadrícula en la corteza entorrinal. que genera el GPS del cerebro.
El Departamento de Ciencias Matemáticas de la NTNU ha desarrollado el tercer componente, métodos topológicos avanzados.
Por último, pero no menos importante, está la teoría CAN más prometedora, iniciada en ELSC en la Universidad Hebrea de Jerusalén.
Ver si el mapa se ajusta al paisaje
«Queríamos resolver la cuestión de si la dinámica de las celdas de la cuadrícula es un producto inevitable de la experiencia del animal en el espacio, o si el patrón hexagonal de las celdas de la cuadrícula surge del diseño intrínseco de la propia red neuronal», dijo Richard Gardner, posdoctorado en el Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas y coautor principal del artículo.
El los investigadores establecieron tres experimentos con c Condiciones que ponen a prueba el comportamiento intrínseco de la red.
En el primer experimento, la rata explora libremente un paisaje abierto. En este entorno, las celdas individuales suelen producir patrones de rejilla perfectamente hexagonales. En el segundo experimento, la rata corre a lo largo de un laberinto en forma de rueda de carreta. Se sabe que estos tipos de rutas lineales distorsionan los patrones de cuadrícula. En el tercer experimento, la rata descansa en la etapa de sueño REM y en la etapa de sueño de ondas lentas. REM es la abreviatura de movimientos oculares rápidos y se sabe que es la etapa del sueño donde ocurren los sueños. En la etapa de sueño de ondas lentas, el cerebro no recibe información motora o sensorial del cuerpo o del entorno, ni simula experiencias sensoriales como sucede con los sueños en el sueño REM.
Este último experimento resultaría ser la verdadera prueba para las teorías, porque apoyaría o rechazaría una de las predicciones más fuertes de la teoría CAN de celdas de cuadrícula. Todos los experimentos se realizaron utilizando sondas Neuropixels para extraer datos cerebrales sin procesar de cientos de celdas de cuadrícula en la misma red neuronal.
¿Podemos entender el paisaje a través del mapa?
«Durante el experimentos, los neurocientíficos codificaron los movimientos de la rata como actividad neuronal por unidad de tiempo. Cada celda de la cuadrícula en la red registrada recibe el valor de 1 o 0 por unidad de tiempo, dependiendo de si la celda está activa o no. Durante los análisis, los matemáticos luego use métodos topológicos y geométricos para decodificar los datos de la actividad celular y volver al comportamiento», dijo Nils A. Baas, profesor de matemáticas en NTNU.
Los modelos matemáticos redujeron la dimensionalidad de los datos cerebrales de varios cientos hasta tres dimensiones, que es más fácil de manejar para el ojo humano, y los modelos contaron la cantidad de agujeros en los datos, lo que llamamos la forma de los datos. Y allí, de la nube gigante previamente deforme de datos de celdas de cuadrícula, emergió un toroide de la superficie.
«Lo que descubrimos fue que la actividad conjunta de la red de celdas de cuadrícula residía y se movía a lo largo de la superficie de un toro, una rosquilla. Para la rata despierta, la actividad se movió a través de la rosquilla en sincronía con el movimiento del animal en la habitación. En cualquier momento, podríamos describir la actividad de la red de la rata por coordenadas en esa rosquilla», dijo Edvard Moser.
«Me sorprendió lo bien que resultó la decodificación del modelo. Fusionamos datos locales de celdas individuales para representar un comportamiento global. Para mí, eso es unos niveles más profundo que el propio toro. Este es uno de la primera aplicación realmente interesante de métodos topológicos en datos neuronales experimentales que he visto», dijo Baas.
Cada vez que la rata está explorando y navegando activamente por el mundo, su sistema sensorial tiene que coordinar y alinear la celda de la cuadrícula interna patrón, el mapa toroide, con el ambiente externo. Crédito: Helmet y el Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología
Los resultados se replicaron en todos los experimentos
Los resultados también se replicaron, independientemente del experimento. No importa si los datos de la cuadrícula de una sola celda se veían bien o mal, no importa lo que estaba haciendo la rata, ya sea explorando libremente, corriendo a lo largo de un laberinto lineal o durmiendo en la etapa REM o en la etapa de sueño de ondas lentas, la actividad conjunta de la población de las celdas de la cuadrícula se movieron firmemente a lo largo de la superficie de una rosquilla. Los resultados respaldan las sólidas predicciones sobre la dinámica cerebral planteadas por la teoría CAN.
«Fue notable observar la rigidez de las representaciones de las celdas de la cuadrícula en varias condiciones, incluidas dos etapas diferentes del sueño, donde este resultado estaba lejos de ser obvio o esperado», dijo Yoram Burak, profesor asociado de física en ELSC, la Universidad Hebrea de Jerusalén.
«Una cosa era encontrar el toroide en los animales cuando se movían en la caja y luego miramos cuando estaban durmiendo y no podía creerlo. Encontrar el toroide durante el sueño me sorprendió más, pero eso fue después de haber sido sorprendido por el laberinto, se suponía que el laberinto interrumpiría la regularidad, pero estaba el toroide. Siempre es un toroide, incluso cuando pensamos que podría no serlo», dijo Benjamin Dunn, profesor asociado del Departamento de Ciencias Matemáticas de la NTNU.
«Lo que me sorprendió fue lo bien que funciona esta metodología novedosa y lo claro que es el los resultados fueron. Creo que es la en gran medida debido a la estructura de actividad muy clara en la red de celdas de cuadrícula, debido a la fuerte restricción en las celdas de cuadrícula. Los resultados encajan muy bien con la teoría de las celdas de cuadrícula que desempeñan un papel muy particular para proporcionar una métrica básica del espacio», dijo Gardner.
«Hasta hace poco, el campo de la topología ha sido principalmente de interés teórico, pero este hallazgo muestra que las herramientas son una parte importante para comprender nuestro cerebro», dijo el coautor Erik Hermansen, estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencias Matemáticas de la NTNU.
«Primero y principal, este estudio nos enseña algo sobre lo que pueden hacer las redes neuronales en el cerebro. Durante más de una década, teóricos como yo mismo desarrollamos teorías que intentan explicar la actividad de las celdas de la red. Debido al presente estudio, ahora podemos confirmar las predicciones clave que hicieron estas teorías. Esto es muy emocionante para mí personalmente», dijo Burak.
La actividad espontánea de las celdas de la cuadrícula se alinea con nuestro mundo externo
Entonces, ¿cuál es el significado de ver que la actividad de la red de las celdas de la cuadrícula siempre se está desplegando en la superficie de una rosquilla?
«Solo un modelo teórico en neurociencia ha predicho cómo debería ser la actividad de las células de la rejilla independientemente del estado del animal, la teoría CAN. Estos hallazgos nos dicen algo sobre la forma en que está conectada la red de neuronas. La dona existe en la conectividad entre las celdas», dijo Edvard Moser.
La teoría CAN propone que las celdas de la cuadrícula con funciones similares, las celdas que están activas en lugares cercanos en el espacio, están fuertemente conectadas, de manera reforzante. Las celdas que están activas en ubicaciones distantes están débilmente conectadas de una manera que se inhibe mutuamente. De aquí se deducen dos premisas: (1) Si esta teoría es correcta, la única forma de obtener patrones de celdas de cuadrícula hexagonal a partir de celdas individuales es si la actividad de la red conjunta se mueve a lo largo de la superficie de una rosquilla. (2) La estructura de actividad es el resultado de las reglas de cableado intrínsecas del cerebro. Por lo tanto, la rosquilla permanece, independientemente de dónde esté el animal o lo que esté haciendo, si está usando la cuadrícula las células naveguen por su entorno externo o no.
Los resultados muestran que el patrón de celdas de la cuadrícula se crea internamente por las conexiones entre las celdas de la cuadrícula y no por la entrada de los sistemas sensoriales, desde el exterior.
¿Cómo puede este yo dinámica organizada, altamente estructurada, restringida y robusta que se genera independientemente del entorno y emerge de configuraciones previas dentro de la corteza entorrinal misma, ¿ser lo suficientemente flexible para apoyar la navegación?
«Siempre que la rata esté explorando activamente y al navegar por el mundo, su sistema sensorial tiene que coordinar y alinear el patrón de celdas de la cuadrícula interna, el mapa toroide, con el entorno externo. El patrón de cuadrícula y el entorno deben estar en sincronía; el patrón de cuadrícula debe estar anclado de manera estable a puntos de referencia en el paisaje. Este es un trabajo que la corteza entorrinal y las áreas más grandes del cerebro tienen que hacer todo el tiempo. Esto es lo que sucede en la navegación cada vez que hay información sensorial. Si no hay información sensorial, el mapa simplemente se desplazará. Sin embargo, la relación interna entre las celdas de la cuadrícula seguirá siendo la misma, por lo que cuando la representamos en un toroide, la actividad de la red conjunta seguirá moviéndose en la superficie de una rosquilla, aunque la actividad ya no está alineada con la navegación de la rata en el exterior. ambiente», dijo Edvard Moser.
«Es absolutamente posible que la actividad continúe representando dónde la rata se imagina que está o incluso sueña que está. Puede imaginar entradas sensoriales de puntos de referencia y lugares tan bien como los percibe. Pero no tenemos forma de saberlo, porque no sabemos qué está pensando o soñando la rata», dijo.
Un enfoque de adentro hacia afuera para investigar funciones cognitivas de alto nivel
Gardner dice que las celdas de cuadrícula fueron un aspecto ideal de la investigación para ayudar a aclarar el patrón de rosquilla más grande.
«Este fue un sistema ideal para introducir el uso de este tipo de métodos en el campo. Las celdas de cuadrícula son notables por tener una restricción tan fuerte en su actividad, que tiene este tipo de forma muy particular. El circuito de las celdas de la rejilla es un sistema neuronal de alto orden muy inusual en el que tenemos una buena comprensión de cómo interpretar la actividad de las células, el «código neuronal» que utilizan. Es muy especial en ese sentido. Es un sistema realmente hermoso con el que trabajar», dijo Gardner.
«Este estudio demuestra un nuevo enfoque para hacer neurociencia, que creo que se usará cada vez más a medida que pase el tiempo. Una metodología para extraer dinámicas de la actividad neuronal en toda la red como punto de partida para el análisis y simplemente mirar lo que hay allí. Encontrar una estructura en los datos que sea intrínseca a las propias poblaciones celulares», dijo.
«Ahora podemos explorar otras partes del cerebro, donde esperamos que se utilicen trucos similares, pero donde las características subyacentes podrían ser más abstractos, como las emociones o el comportamiento social», dijo Hermansen.
«Es un enfoque prometedor para descubrir señales en el cerebro que pueden estar ocultas para nosotros porque no se relacionan con nada que podamos ver o medir externamente. Esto puede ser particularmente relevante para comprender los circuitos cerebrales involucrados en la cognición superior, que manejan información muy abstracta que es difícil de entender para nosotros», dijo Gardner.
Hace casi 20 años, los Moser descubrieron la estructura de actividad de las celdas de cuadrícula única. Lo que encontraron fue un patrón de cuadrícula hexagonal que funciona como el sistema métrico y de coordenadas del cerebro para el espacio. Hoy han descubierto la estructura de actividad de la población de celdas de cuadrícula que representan un módulo espacial. Lo que encontraron fue la superficie de una rosquilla. La rosquilla existe en la conectividad entre las células.
La investigación se publicó en Nature.
Explore más
Una nueva investigación arroja luz sobre el sistema GPS del cerebro Más información: Richard J. Gardner et al, Topología toroidal de la actividad de la población en celdas de cuadrícula, Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-021-04268-7 Información de la revista: Nature
Proporcionado por Norwegian University o f Ciencia y tecnología Cita: Una nueva investigación encuentra que la actividad neuronal colectiva tiene la forma de la superficie de una rosquilla (2022, 12 de enero) consultado el 29 de agosto de 2022 en https://medicalxpress.com/news/2022 -01-neural-surface-donut.html Este documento está 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.