Investigadores desentrañan los caminos cerebrales hacia el reconocimiento espacial
El principal objetivo del estudio era el subículo, una subregión del cerebro de los mamíferos ubicada en el hipocampo que desempeña un papel importante en la memoria y la navegación
Cuando estás perdido o desorientado, tu cerebro utiliza señales de tu entorno, puntos de referencia cercanos y lejanos, para determinar dónde estás. La información recopilada por los sentidos es transmitida por las células nerviosas o neuronas a regiones cerebrales específicas donde la señal dirige a través de circuitos y se envía aguas abajo a áreas que esencialmente traducen la información en comportamiento y lo vuelven a encarrilar.
En el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI, por sus siglas en inglés), en Ashburn, Virginia, el científico investigador postdoctoral Mark Cembrowski, que forma parte del laboratorio del líder del grupo Nelson Spruston, ha dirigido un esfuerzo para analizar los componentes celulares, moleculares y conductuales de este proceso, llamado reconocimiento espacial. Sus descubrimientos, descritos este jueves en la revista 'Cell', ofrecen una nueva visión de la neurociencia de la navegación guiada por la memoria.
El objetivo principal de la investigación de Cembrowski es el subículo, una subregión del cerebro de los mamíferos ubicada en el hipocampo, que desempeña un papel importante en la memoria y la navegación. El subículo es la "salida" primaria del hipocampo: envía señales a varias regiones del cerebro a través de una clase especial de neuronas llamadas células piramidales.
Recientemente, los investigadores demostraron que las células piramidales pueden exhibir heterogeneidad dentro del subículo; en otras palabras, las subclases de estas células pueden transmitir diferentes señales a distintas áreas del cerebro. "Se ha postulado que el cerebro podría tener vías separadas para el [procesamiento de la información] local y global, y queríamos examinar rigurosamente esa hipótesis", dice Cembrowski.
El cerebro utiliza dos tipos de señales para la navegación: local (basada en el entorno inmediato) y señales globales (basadas en objetos distantes o identificadores únicos de un espacio). Cembrowski y sus colegas querían comprender el alcance de la variación de las células piramidales en el subículo y, si pudieran identificar distintas subclases, asociarlas con las diferencias en el procesamiento de la información.
El punto de partida para esta investigación fue un experimento realizado por el excompañero de laboratorio de Cembrowski, Austin Graves. Ese trabajo demostró que las células piramidales muestran dos patrones de activación distintos en el subículo: algunos con picos una vez, mientras que otros alcanzan puntos máximos en ráfagas.
"Ese fue nuestro gancho --recuerda Cembrowski--. Los picos son el lenguaje del sistema nervioso y queríamos saber si los diferentes 'dialectos' se ajustaban a distintas subclases de neuronas y si podíamos caracterizar esas subclases". Las características en las que se interesaron Cembrowski y sus colaboradores incluyeron la conectividad (objetivos cerebrales descendentes), la expresión génica y la electrofisiología (la ciencia detrás de los picos).
EL PAPEL DE LAS CÉLULAS PIRAMIDALES
Investigaron las células piramidales en la región dorsal del subículo, un área vinculada al procesamiento de información sobre el medio ambiente del animal, utilizando un enfoque múltiple, integrando métodos de biología celular, genética, análisis de circuitos y neurociencia del comportamiento para concentrarse en las raíces neurales del reconocimiento espacial.
"Podríamos haber estudiado este concepto desde cualquiera de esas perspectivas particulares --dice Cembrowksi--. Pero el poder de estar en Janelia es que no necesitas comprometerte; puedes hacerlo todo de una vez". Cembrowski trabajó con tres de los equipos de soporte de Janelia: Genómica cuantitativa, Anatomía e Histología y el equipo de soporte de Vivarium, así como con el equipo del proyecto MouseLight.
Para rastrear las rutas de las células piramidales y ver si las subclases de células se pueden distinguir en función de sus destinos de aguas abajo. Cembrowski usó microesferas retrógradas especiales que viajan desde el extremo de una neurona hasta su punto de origen. Inyectó dos colores en estas cuentas, magenta y verde, en dos regiones diferentes del cerebro objetivo. Siguió los senderos por los que estas microesferas viajaban de regreso al subículo y descubrió que las magentas y verdes aterrizaban en dos nichos espaciales distintos en el subículo dorsal; por lo tanto, destacando las diferencias en la conectividad.
Una vez que las células fueron codificadas por colores, Cembrowski podría trabajar con el equipo de Quantitative Genomics para obtener datos de secuenciación y descubrió que la expresión del gen de las células verde y magenta era sorprendentemente diferente. Entonces, se preguntaron si la conectividad y las diferencias de expresión génica de las células están asociadas con su papel y si se produce en el procesamiento de las señales locales y globales.
Para obtener respuestas, Cembrowski estableció un experimento de comportamiento en el que un ratón navegaba en un entorno controlado. El animal nadó en una pequeña piscina que contiene agua opaca y una plataforma sumergida. El animal aprende que los marcadores colocados a una distancia fuera del grupo pueden usarse para estimar su posición relativa a la plataforma. Con cada prueba, el ratón navega hacia la plataforma más rápidamente.
Después, trabajando con el equipo Janevia Vivarium, Cembrowski silenció temporalmente un tipo de célula piramidal en el subículo del ratón. Con sólo las células piramidales verdes en funcionamiento, los ratones entrenados que previamente se alineaban con las abejas en la plataforma ahora nadan sin control. Esto sugirió que las células magenta, que habían sido silenciadas, fueron cruciales para reunir y retener información sobre señales globales, y las células verdes procesaron información solo a partir de señales locales.
Finalmente, Cembrowski y sus colegas determinaron que las células verdes son las que se activan en un único punto mientras que las células magenta se disparan en ráfagas. "Tenemos muchas hipótesis guiadas sobre qué causa estas diferencias en electrofisiología y cómo esas diferencias están relacionadas con el procesamiento de la información --dice Cembrowski--. Esta investigación está transformando nuestra comprensión de las estructuras cerebrales en el centro de la memoria, el comportamiento y la cognición. Esa es la cosa más loca de nuestra investigación".
