La inesperada relatividad del GPS integrado en el cerebro.

Cómo los nuevos datos están cambiando nuestra comprensión de las neuronas de localización

Los primeros detalles del "cerebro GPS incorporado" comenzaron a aparecer en la década de 1970. En los laboratorios del University College London, John O'Keefe y su alumno Jonathan Dostrovsky registraron la actividad eléctrica de las neuronas en el hipocampo de ratas que se mueven libremente. Encontraron un grupo de neuronas que se activaron solo cuando la rata apareció en un lugar determinado [ 1 ]. Llamaron a estas células " neuronas de lugar ".

Basado en estos descubrimientos tempranos, O'Keefe y su colega Lynn Nadel sugirieron que el hipocampo contiene una representación invariante del espacio que es independiente del estado de ánimo o los deseos. Lo llamaron un " mapa cognitivo " [ 2 ]. Desde su punto de vista, todas las neuronas del lugar en el cerebro representan el entorno completo del animal, y la activación de una determinada célula indica su ubicación actual. En otras palabras, el hipocampo funciona como un GPS. Él te dice dónde estás en el mapa, y este mapa no cambia, no importa si tienes hambre y buscas comida, o si quieres dormir y buscar una cama. O'Keefe y Nadel sugirieron que la ubicación absoluta, cuya idea se almacena en las neuronas del lugar, proporciona una plataforma mental que el animal puede usar para navegar en cualquier situación: para buscar comida o lugares de descanso.



Durante los siguientes 40 años, otros investigadores, incluidos Edward y May-Britt Moser, la pareja, respaldaron la idea de que los circuitos del hipocampo funcionan como GPS incorporado [ 3 ]. Por su trabajo pionero, O'Keefe y Mosers recibieron el Premio Nobel 2014 en Fisiología o Medicina. Se podría decidir que se deshizo el papel del hipocampo en la orientación de los animales en el espacio.

Pero el estudio del cerebro nunca es tan sencillo. El Premio Nobel 2014, como un fósforo que prendió fuego a una mecha, provocó una explosión de experimentación e ideas, algunas de las cuales objetaron la interpretación temprana de O'Keefe y Nadel. Un nuevo trabajo sugirió que en el caso de la navegación espacial, el contorno del hipocampo no representa información de ubicación absoluta, sino relativa y modificable bajo la influencia de la experiencia. La exploración del hipocampo parece haberse topado con un viejo debate filosófico.

Durante siglos, los físicos han luchado con la cuestión de si el espacio es absoluto o relativo, antes de apoyarse en la relatividad. Pero solo en los últimos años, cuando estudiaban el cerebro, comenzaron a hacer preguntas similares. Durante muchos años, el espacio absoluto ha estado a cargo de la neurobiología. Por ejemplo, se ha supuesto durante mucho tiempo que el sistema visual tiene dos canales para el flujo de información. [ 4 ] El primero es el canal "qué", que transmite información sobre la identidad del objeto observado por el animal. El segundo es el canal "dónde", que contiene información sobre la ubicación absoluta del objeto. Se creía que el canal "qué" no contiene ninguna información posicional. Sin embargo, un trabajo reciente mostró que aunque este canal no contiene información sobre la ubicación absoluta del objeto, sí contiene información sobre la ubicación relativa. [ 5, 6 ] Es probable que esta información sobre la ubicación relativa sea muy importante para el reconocimiento de objetos.

Tales descubrimientos sirven como punto de apoyo para la idea de que la información relativa es importante para el cerebro. Este punto de vista se ve reforzado por la síntesis recientemente iniciada de neurobiología con la informática y la IA. El trabajo en la intersección de estas disciplinas mostró que el cerebro que utiliza un modelo mundial absoluto e inmutable para la vida en un entorno en constante cambio requiere más recursos informáticos que el cerebro que utiliza información relativa. Comprender dónde y cuándo el cerebro usa información absoluta y dónde la información relativa puede arrojar luz sobre el trabajo, la flexibilidad y la velocidad de sus subsistemas y nuestro comportamiento. En particular, el hipocampo puede ser uno de los primeros hitos en esta investigación.

Una objeción clave a la interpretación de la representación absoluta de la ubicación de O'Keefe y Nadel provino de un trabajo patrocinado el año pasado por Kimberly Stachenfeld, Matthew Botvinnik y Samuel Gershman. [ 7 ] Estos investigadores, asociados con Google DeepMind, la Universidad de Princeton, el University College de Londres y la Universidad de Harvard, sugirieron que el hipocampo no es la ubicación absoluta del animal, sino a dónde es más probable que el animal vaya en el futuro cercano. Esta visión tiene en cuenta los movimientos preferidos y los hábitos aprendidos. Desde este punto de vista, el hipocampo es un mapa predictivo, no absoluto.

Estudios anteriores han demostrado que la actividad de las neuronas de un lugar disminuye constantemente cuando un animal se aleja del centro de un lugar de interés para él. O'Keefe y Nadel decidieron que esta es una señal de que las neuronas del sitio representan la ubicación actual del animal. Pero dentro del marco de la plataforma propuesta por Stachenfeld y sus colegas, se propone que el grado de actividad neuronal se considere una presentación de la probabilidad de que el animal esté en el centro del lugar de interés en el próximo momento. Si ya está en el centro, entonces la probabilidad de que esté allí en el momento siguiente es bastante alta, por lo que la actividad de las células también es alta. Si se ha alejado tanto del centro que no puede regresar allí en el momento siguiente, entonces las neuronas del lugar están inactivas.

Las teorías de O'Keefe y Stachenfeld pueden parecer similares, y ambas parecen explicar las propiedades básicas de la actividad de las neuronas de un lugar. Sin embargo, hacen diferentes suposiciones sobre la naturaleza del mapa espacial en el hipocampo, y solo los experimentos y pruebas ingeniosas en modelos computacionales ayudarán a separar uno del otro. Stachenfeld, Botvinnik y Gershman lograron esto volviendo a analizar los datos de trabajos publicados anteriormente, y descubriendo que algunos de ellos pueden explicar su modelo de trabajo del hipocampo, pero no los modelos tradicionales. Lo más sorprendente de estos ejemplos son los datos de un estudio realizado por Ellis Alverne y sus colegas de Marsella, Francia. [ 8 ] Estos investigadores utilizaron el "Laberinto de ramas de Tolman", en el que la rata necesitaba correr por el único camino de principio a fin. En algunas situaciones, el camino se cerró, lo que obligó al animal a evitar el obstáculo a lo largo de uno de los dos corredores en forma de C.

Según la interpretación de la actividad neuronal según O'Keefe con su mapa cognitivo, una neurona que estaba activa cuando la rata estaba en la bifurcación entre la ruta directa y el bypass debería activarse por igual, independientemente de si esta ruta está bloqueada o no. Pero en el experimento se observó una imagen diferente. Esta celda se comportó de manera diferente, dependiendo de la presencia de una ruta bloqueada. El grado de actividad de una neurona fue influenciado por la experiencia previa en ratas. Una carta absoluta no debería funcionar así. Además, Stachenfeld y sus colegas realizaron simulaciones por computadora para mostrar que la actividad de las neuronas del sitio que Alvernet y sus colegas observaron en su experiencia coincidieron con su hipótesis de mapa predictivo es mucho mejor que la hipótesis del mapa cognitivo de O'Keeffe.

El argumento de Stachenfeld contra la interpretación de O'Keefe-Nadel fue que las neuronas de localización no codifican una posición absoluta, sino solo una ubicación relativa a la historia de movimientos, experiencia y preferencias de comportamiento. Pocos meses después, otro conjunto de estudios mostró que la ubicación de otros animales de la misma especie también afecta la actividad de las neuronas del sitio. [ 9, 10, 11 ] En los trabajos publicados este año, Necam Ulanowski del Instituto Weismann en Israel y Shigeyosi Fujisawa del Instituto de Investigación Cerebral RIKEN en Japón entrenaron a los animales para moverse en un área determinada mostrándoles carreras que realizaron otras personas de su tipo . Al mismo tiempo, Ulanovsky usó murciélagos y Fujisawa usó ratas. Cuando los animales siguieron el camino prescrito, se esperaba que sus neuronas se activaran. Pero fue una sorpresa que un subconjunto de estas neuronas del sitio también se activara cuando los animales observaban las razas de otros individuos. Los investigadores han llamado a estas neuronas "neuronas sociales".

Los resultados nuevamente divergen de la interpretación inicial de la activación de las neuronas del lugar, vinculándolas con la ubicación absoluta en el espacio. La representación de un lugar en el hipocampo no es solo diferente de lo absoluto: parece que la observación de otros puede influir en él.

La actividad de las neuronas del sitio era mucho más compleja de lo que se pensaba anteriormente. La visión clásica del papel de los contornos del hipocampo en la navegación espacial, galardonada con el Premio Nobel, no fue una descripción completa de lo que está sucediendo, y el hipocampo realiza muchas más funciones que una simple representación invariante de la ubicación del sujeto en el espacio.

La idea de la previsibilidad de las neuronas de lugar y el impacto sobre ellas del aprendizaje y el comportamiento de otros animales puede facilitar la construcción de un concepto que pueda describir tanto el papel del hipocampo en la orientación espacial como el papel generalmente aceptado en el aprendizaje y la formación de la memoria. Desde el descubrimiento de que la eliminación del hipocampo puede conducir a la incapacidad de formar nuevos recuerdos, se ha estudiado como una de las regiones más importantes del cerebro responsable de la memoria. [ 12 ] Y aunque desde los primeros experimentos de O'Keefe y Dostrovsky se supo que el hipocampo desempeña un papel importante en la navegación espacial, cómo y por qué esta pequeña parte del cerebro es capaz de almacenar mapas espaciales y recuerdos complejos ha quedado mal entendido . La comprensión emergente de la relatividad de nuestros mapas espaciales y el efecto de la memoria y el comportamiento en ellos hace que sea más fácil entender la doble función del hipocampo. Cincuenta años después de las primeras observaciones de O'Keefe y Dostrovsky, comenzamos a comprender más claramente cómo esta área clave del cerebro forma nuestras personalidades.