El cerebro necesita crear mapas de lo que nos rodea para orientarnos, desplazarnos de un sitio a otro, reconocer atajos entre los lugares que frecuentamos o memorizar. Una investigación liderada por Liset M de la Prida, del Centro de Neurociencias Cajal (CNC-CSIC), en colaboración con el Imperial College de Londres, ofrece una nueva perspectiva sobre cómo se codifica esta información espacial y experiencial en el hipocampo, una región del cerebro fundamental para la orientación y la memoria. El trabajo se ha publicado en la revista Neuron.
Los investigadores del CSIC han descubierto en ratones que dos subpoblaciones distintas de neuronas piramidales, denominadas superficiales y profundas según su localización en el hipocampo, responden a diferentes señales cuando nos desplazamos o giramos, o cuando se producen cambios en el lugar donde nos encontramos.
Las neuronas piramidales profundas responden a cambios locales, como la posición de los muebles dentro de una habitación. Mientras que las piramidales superficiales mantienen una representación más estable del espacio, atendiendo a los aspectos globales, como la orientación de ventanas y puertas hacia un determinado punto cardinal. Esta estabilidad es crucial para mantener una referencia constante del entorno.
Ambos tipos de neuronas trabajan de manera independiente, lo que permite al cerebro generar representaciones geométricas complementarias a partir de su actividad para crear mapas del entorno más sofisticados y flexibles de lo que hasta ahora se suponía.
Este trabajo del CSIC se enmarca en una línea de investigación reconocida en 2014 con el Premio Nobel otorgado a May-Britt y Edvard Moser, junto con John O’Keefe, por sus descubrimientos sobre las células de lugar y en rejilla, que constituyen las bases del sistema de posicionamiento del cerebro. Esta nueva investigación liderada por Liset M. de la Prida complementa y amplía esos hallazgos, proporcionando una comprensión más profunda de cómo el hipocampo codifica y procesa la información espacial teniendo en cuenta distintos marcos de referencia.
Espacio, velocidad y dirección
Los investigadores utilizaron laberintos sencillos, como pasillos con acceso a una serie de pistas visuales y táctiles en los que los ratones podían correr de un lado a otro. Así pudieron ver que las neuronas piramidales profundas estaban más sintonizadas con el espacio, la velocidad y la dirección del movimiento que las neuronas piramidales superficiales. Curiosamente, las neuronas profundas responden a la presencia de marcas cercanas al sujeto, mientras que la actividad de las superficiales está más relacionada con las pistas visuales dentro de la habitación.
“Las neuronas del hipocampo crean representaciones espaciales abstractas que funcionan como un mapa. Esto nos permite orientarnos y recordar las experiencias vividas. Hasta ahora, se desconocía cómo ambos tipos de neuronas contribuyen a representar distintos aspectos de estos mapas, ya que estas representaciones surgen de la actividad colectiva. Es como intentar entender qué músicos de una orquesta son los responsables del ritmo y cuáles de la melodía: aunque todos contribuyen, algunos tienen papeles clave en el resultado final”, señala De la Prida.
Gracias a una técnica denominada imagen celular dual por microendoscopía, que ha sido puesta a punto por primera vez en España en el Centro de Neurociencias Cajal del CSIC, pudieron visualizar simultáneamente la actividad de cientos de neuronas piramidales. “Hemos usado dos sensores de diferente color, para poder seguir al mismo tiempo la actividad de las neuronas superficiales y profundas en tiempo real”, explica Juan Pablo Quintanilla, investigador del CNC-CSIC responsable de estos experimentos.
Mapas actualizados en tiempo real
Otro aspecto innovador del trabajo ha sido el uso de métodos topológicos, la rama de las matemáticas que se ocupa del estudio de las propiedades de los cuerpos, que han permitido desentrañar la forma de estos mapas neuronales abstractos. Mientras los ratones exploran los pasillos de un lado a otro, los mapas del hipocampo creados por la actividad de cientos de neuronas adoptan la forma de anillos tridimensionales.
Cuando cambia el entorno, por ejemplo, al mover o girar los muebles en una habitación, las neuronas piramidales profundas y superficiales reaccionan de manera diferente. Y esto permite al cerebro actualizar su mapa espacial, manteniendo información coherente y flexible sobre la posición y la orientación a pesar de los cambios.
Las distintas representaciones espaciales creadas por estos dos tipos de neuronas coexisten en paralelo en el hipocampo. La capacidad del hipocampo para albergar simultáneamente múltiples marcos de referencia es una característica destacable de los mapas cognitivos.
“Los mapas generados por estas dos subpoblaciones conviven enhebrados entre sí para representar la información global (por ejemplo, la habitación donde estamos) y local (los muebles que hay en ella)”, explica Julio Esparza, ingeniero biomédico responsable de los análisis y primer autor del estudio.
Mediante el uso de técnicas quimiogenéticas, que permiten silenciar temporalmente tipos específicos de células, los investigadores pudieron manipular los mapas: “Podíamos hacer girar los mapas y los anillos silenciando las neuronas superficiales o profundas de manera selectiva”, explica Esparza.
Esta capacidad representacional del cerebro puede utilizarse también para facilitar la memorización de conceptos. Un ejemplo es la conocida técnica del “palacio de la memoria”. Este truco mental, que utilizan muchos opositores, consiste en imaginar un itinerario a lo largo de diferentes lugares de un entorno familiar, como nuestra casa o nuestro vecindario, donde los conceptos a recordar se sitúan imaginariamente a lo largo de ese itinerario para memorizarlos y recordarlos después con más facilidad.
Esta investigación, financiada por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, y Fundación La Caixa, abre nuevas vías para entender cómo el cerebro procesa y representa la información espacial, y podría tener implicaciones para el futuro desarrollo de tratamientos en trastornos neurológicos relacionados con la memoria y la orientación, como el alzhéimer.
