Un nuevo estudio revela cómo las “células de lugar” del cerebro crean mapas internos para ayudarnos a navegar. Alguna vez se pensó que estas neuronas especializadas, que se encuentran en el hipocampo, dependían de patrones ordenados con precisión para la codificación espacial. Sin embargo, los investigadores han descubierto que su actividad, que parece desordenada en grandes espacios, en realidad sigue principios matemáticos universales.
Un nuevo estudio dirigido por el profesor Yoram Burak, del Centro Edmond y Lily Safra para las Ciencias del Cerebro (ELSC) y del Instituto Racah de Física de la Universidad Hebrea de Jerusalem, revela un marco matemático unificador para explicar cómo las células de lugar en el hipocampo codifican información espacial en diversas especies y entornos.
Las células de lugar son neuronas especializadas en el hipocampo que ayudan a los animales a navegar mediante la creación de patrones de disparo que codifican ubicaciones dentro del entorno de los animales. Tradicionalmente, se pensaba que estas células disparaban en regiones únicas y compactas del espacio con una forma simétrica estereotipada. Sin embargo, investigaciones recientes han revelado que, en entornos más grandes, estas células muestran patrones de actividad mucho más complejos e irregulares, disparando en múltiples lugares con formas y tamaños variados.
El equipo del profesor Burak ha descubierto que un modelo matemático notablemente simple pero poderoso explica los patrones de disparo irregulares de las células de lugar en entornos grandes. El modelo se basa en el concepto de “Procesos Gaussianos”, una clase de funciones aleatorias que juegan un papel importante en diversos fenómenos naturales que van desde la cosmología hasta la oceanografía.
En el modelo, las regiones de disparo de las celdas de lugar emergen marcando regiones del espacio en las que un proceso gaussiano aleatorio cruza un cierto umbral. Usando este modelo simple, los investigadores demostraron que la actividad de las células de lugar en murciélagos y roedores en espacios 1D, 2D y 3D sigue principios universales.
Estos hallazgos implican que estos patrones surgen de entradas en gran medida aleatorias al hipocampo, lo que desafía la idea de que el cerebro depende de una organización precisa para su mapa espacial.
“Nuestros hallazgos sugieren que la aleatoriedad, en lugar de un diseño específico, gobierna la organización sináptica de las entradas a las neuronas CA1 en el hipocampo”, explica Nischal Mainali, estudiante de la Universidad Hebrea y uno de los autores del estudio. Esta perspectiva desafía las suposiciones de larga data sobre la estructura de los circuitos neuronales y abre nuevas vías para comprender la cognición espacial.
El modelo también hace predicciones precisas y comprobables sobre la disposición de los campos de disparo de las células de lugar y su geometría, que se verificaron mediante el reexamen de las grabaciones de la actividad de las células de lugar, recopiladas en experimentos anteriores de murciélagos, ratones y ratas que navegaban en diversos entornos.
Estos conocimientos no solo arrojan luz sobre los mecanismos neuronales de la navegación espacial, sino que también proporcionan una base para explorar cómo el cerebro codifica la información. El profesor Burak explica que “Los patrones de disparo aparentemente aleatorios de las celdas de lugar en entornos grandes forman ‘palabras clave’ que se asignan de manera única a diferentes posiciones en el espacio. Creemos que el cerebro ajusta las estadísticas de estas palabras clave aleatorias para crear una representación muy eficiente de las posiciones en entornos grandes”.
El trabajo de investigación titulado “Universal statistics of hippocampal place fields across species and dimensionalities”, ya está disponible en Neuron.
Investigadores:
Nischal Mainali1, Rava Azeredo da Silveira2,3,4,5 y Yoram Burak1,6.
Instituciones:
1) Centro Edmond y Lily Safra para las Ciencias del Cerebro, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2) Laboratorio de Física de la Ecole Normale Supérieure, ENS, PSL ́ ́ University.
3) CNRS, Universidad de la Sorbona, Universidad de París.
4) Instituto de Oftalmología Molecular y Clínica de Basilea.
5) Facultad de Ciencias, Universidad de Basilea.
6) Instituto Racah de Física, Universidad Hebrea de Jerusalem.
La investigación contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Israelí para la Ciencia y la Fundación Benéfica Gatsby.
