Experimentos de ingenuidad posible han arrojado luz sobre los mecanismos celulares que subyacen a la navegación y la memoria en humanos

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Un tipo de célula cerebral humana previamente desconocido parece ayudar a las personas a concentrarse en sus mapas personales del mundo, según un nuevo estudio realizado por neurocientíficos de Columbia Engineering. Este descubrimiento arroja luz sobre los mecanismos celulares que subyacen a la navegación y la memoria en los seres humanos, así como qué partes del cerebro podrían dañarse durante los tipos de trastornos de la memoria comunes en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer.

Hay dos estrategias mediante las cuales los humanos y los animales se orientan y navegan. Uno se refiere a la localización de lugares, distancias y direcciones en marcos de referencia «alocéntricos» u otros centrados en el mundo exterior. La otra estrategia implica marcos de referencia «egocéntricos» que se centran en uno mismo.

Siempre que utilice una aplicación de teléfono móvil para encontrar direcciones, es probable que utilice ambos modos de navegación. Cuando ingresa una dirección por primera vez, normalmente le mostrará la dirección en un mapa desde una perspectiva alocéntrica, con «norte» en la parte superior y «sur» en la parte inferior. Cuando vaya a la vista de ruta, cambiará a una perspectiva egocéntrica en la que «adelante» es arriba y «atrás» abajo.

Los científicos descubrieron por primera vez células cerebrales vinculadas a marcos de referencia alocéntricos en ratas en 1971: «células de ubicación» que pueden, por ejemplo, indicar que una está en la esquina noreste de un área. Otros tipos de celdas espaciales alocéntricas incluyen celdas de dirección de la cabeza que se pueden activar cuando navega hacia el sur, o celdas de límite que pueden responder cuando un límite está en el oeste.

Durante la última década, los investigadores han comenzado a estudiar cómo los cerebros de las ratas mapean marcos de referencia egocéntricos. Hace dos años, los científicos del Dartmouth College en Hanover, New Hampshire identificaron una región del cerebro en ratas llamada corteza postrinal donde abundan las células sintonizadas centradas en el ego. Sin embargo, no quedó claro qué células cerebrales formaban la base de los mapas espaciales egocéntricos en los seres humanos.

«En los seres humanos, rara vez es posible registrar directamente la actividad de neuronas individuales del cerebro, por razones éticas», dijo Lukas Kunz, investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Columbia y primer autor del nuevo estudio. “Existen técnicas como fMRI o EEG, que nos permiten medir indirectamente la actividad neuronal de cerebros humanos sanos, pero esta actividad neuronal refleja la actividad general de millones de neuronas, lo que no nos permite sacar conclusiones directas sobre los principios. del funcionamiento de las neuronas individuales «.

En el nuevo estudio, neurocientíficos de Estados Unidos y Alemania estudiaron a 15 pacientes con epilepsia en el Centro Médico de la Universidad de Friburgo en Alemania. A estos voluntarios se les implantaron electrodos para ayudar a los médicos a controlar su trastorno.

Los investigadores pidieron a los voluntarios que realizaran actividades informáticas que exploraran su capacidad para navegar a través de entornos virtuales y recordar dónde estaban muchos objetos diferentes. Al mismo tiempo, los científicos registraron la actividad de más de 1.400 neuronas individuales en múltiples regiones del cerebro en todos los participantes.

Los científicos identificaron más de 160 neuronas que se comportaban como tipos de células espaciales egocéntricas, activándose cuando partes específicas del entorno virtual estaban al frente, detrás, a la izquierda o a la derecha de los pacientes, o cuando los puntos en el espacio estaban cerca o lejos de los pacientes.

«Ahora somos los primeros en informar sobre tipos de células espaciales egocéntricas en humanos», dijo Kunz. Los científicos publicaron su estudio, «Un código neuronal para mapas espaciales egocéntricos en el lóbulo temporal medial humano», en la revista Neurona el 14 de julio de 2021.

Estas «células portadoras egocéntricas» probablemente codifiquen información espacial en un mapa mental centrado en cada persona. «Esto es presumiblemente importante para la vida cotidiana cuando los humanos intentan orientarse en sus entornos y cuando navegan por rutas», dijo Joshua Jacobs, profesor asociado de ingeniería biomédica en Columbia Engineering y autor principal del estudio.

Estas células portadoras egocéntricas eran particularmente grandes en la corteza parahipocampal, una región ubicada en las profundidades del cerebro que trabajos previos han sugerido que es el equivalente humano de la corteza postrinonal de roedores. Las células portadoras egocéntricas constituían aproximadamente el 25% de todas las neuronas de la corteza parahipocampal. «Estudios anteriores han demostrado que los pacientes con daño en esta región del cerebro están desorientados, presumiblemente porque sus células portadoras egocéntricas se han visto afectadas», dijo Kunz.

Los investigadores también encontraron que estas células portadoras egocéntricas exhibían una mayor actividad cuando los pacientes usaban su memoria para recordar con éxito la ubicación de los objetos que habían encontrado en entornos virtuales. «Esto sugiere que estas células no solo son relevantes para la navegación, sino que también juegan un papel en el recuerdo correcto de experiencias pasadas», dijo Kunz.

«Los recuerdos se componen de varios elementos diferentes, como un evento específico, el lugar donde ocurrió el evento y la hora en que ocurrió», dijo Kunz. «Creemos que existen diferentes sistemas neuronales para los diferentes componentes de estos recuerdos. Las células portadoras egocéntricas presumiblemente están particularmente involucradas en el procesamiento de la información espacial de los recuerdos».

Estos hallazgos pueden aclarar lo que podría salir mal en las personas con déficit de memoria, incluidos los pacientes con enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. «Es posible que sus células portadoras egocéntricas no funcionen correctamente o que hayan sido destruidas por alguna razón, como un derrame cerebral, un tumor cerebral o demencia», dijo Jacobs.

Estos nuevos descubrimientos no responden a cómo se podrían abordar estos problemas de memoria. «Aún queda mucha investigación por hacer antes de que los trastornos de la memoria puedan tratarse con éxito», advirtió Kunz.

En el futuro, los investigadores quieren ver por qué exactamente una determinada célula portadora egocéntrica está sintonizada con cualquier punto del espacio en el que esté enfocada. Actualmente, Kunz y sus colegas asumen que múltiples señales espaciales diferentes, como objetos, límites espaciales y puntos de referencia, se combinan para influir en la ubicación de estos puntos de referencia. Los científicos pueden examinar la influencia que estas señales tienen en la ubicación de estos puntos de referencia eliminando estas señales de los entornos durante los experimentos.

«Otra cuestión importante es cómo las células portadoras egocéntricas interactúan con los tipos de células espaciales alocéntricas», dijo Kunz. «Actualmente planteamos la hipótesis de que las células portadoras egocéntricas proporcionan información esencial para los tipos de células espaciales alocéntricas. Entendiendo esto, los estudios futuros podrían explicar cómo la sintonía de los tipos de células espaciales alocéntricas se ve afectada por el funcionamiento de las células portadoras egocéntricas «.

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