Cómo el cerebro construye mapas sofisticados para navegar y recordar el mundo

El cerebro crea “mapas” internos para ayudarnos a navegar y aprender de nuestro entorno, pero cómo se forman estos mapas sigue siendo un desafío de entender. Ahora, un estudio dirigido por Liset M. de la Prida en el Centro de Neurociencias Cajal (CNC-CSIC) en Madrid, en colaboración con Imperial College London, ofrece una nueva perspectiva sobre cómo la información espacial y experimental está codificada en el hipocampo, una región cerebral clave para la navegación y la memoria.

El estudio publicado hoy en Neuronarevela que dos tipos de neuronas del hipocampo funcionan complementariamente en ratones para generar mapas espaciales que son más sofisticados y adaptables de lo que se pensaba anteriormente. Los hallazgos abren nuevas vías para comprender cómo el cerebro procesa y representa información espacial, y podrían tener implicaciones para el desarrollo futuro de tratamientos para trastornos neurológicos relacionados con la memoria y la orientación, como la enfermedad de Alzheimer.

Los investigadores encontraron que dos subpoblaciones distintas de neuronas piramidales, clasificadas como superficiales y profundas en función de su ubicación en el hipocampo, responden de manera diferente durante el movimiento y la rotación, lo que permite que el cerebro genere representaciones geométricas complementarias.

El estudio muestra que las neuronas piramidales profundas responden a los cambios locales, como la posición de los muebles en una habitación. En contraste, las neuronas piramidales superficiales mantienen una representación espacial más estable, centrada en características globales como la orientación de ventanas o puertas. Esta estabilidad es crucial para mantener una referencia consistente del entorno.

Este estudio se basa en la investigación reconocida con el Premio Nobel 2014 otorgado a May-Britt y Edvard Moser, junto con John O'Keefe, por sus descubrimientos en células de lugar y cuadrícula, que forman la base del sistema de posicionamiento del cerebro. Los hallazgos de Liset M. de la Prida se expanden en estos descubrimientos, ofreciendo una comprensión más profunda de cómo el hipocampo codifica y procesa la información espacial al integrar diferentes cuadros de referencia.

Espacio, velocidad y dirección

Para estudiar estas representaciones, el equipo utilizó corredores simples con forma de laberinto con señales visuales y táctiles, donde los ratones podrían correr de un lado a otro. Descubrieron que las neuronas de capa profunda estaban más sintonizadas con el espacio, la velocidad y la dirección del movimiento que las neuronas de la capa superficial. Curiosamente, las neuronas profundas respondieron a los puntos de referencia cercanos, mientras que las neuronas superficiales estaban más en sintonía con las señales visuales en el ambiente de sala más amplio.

“Hippocampal neurons create abstract spatial representations that act as a map, enabling orientation and memory of past experiences. Until now, it was unclear how different neuron types contributed to these abstract maps, as these representations emerge from collective activity. It's like trying to determine which musicians in an orchestra are responsible for rhythm and which for melody—while all of them contribute, some play key roles in the final outcome,” says Liset M. de la Prida.

El avance fue posible gracias a las técnicas avanzadas de imágenes que permiten la visualización simultánea de cientos de neuronas de cada tipo. “Utilizamos dos sensores de diferentes colores para rastrear la actividad de las células superficiales y profundas en tiempo real”, explica Juan Pablo Quintanilla, coautor responsable de estos experimentos. Esta técnica de imagen celular microendoscópica se estableció por primera vez en España en el Centro de Neurociencias Cajal del Consejo Nacional de Investigación Española (CSIC).

Mapas actualizados en tiempo real

Otra innovación clave del estudio fue el uso de métodos topológicos, una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de los objetos geométricos, para decodificar la estructura de estos mapas neuronales abstractos. A medida que los ratones exploraron los corredores, los mapas del hipocampo formados por la actividad de cientos de neuronas de cada subpoblación tomaron la forma de los anillos tridimensionales.

Cuando el medio ambiente cambia, como después de reorganizar muebles en una habitación, las neuronas piramidales profundas y superficiales reaccionan de manera diferente. Esto permite al cerebro actualizar su mapa espacial al tiempo que preserva información coherente y flexible sobre la ubicación y la orientación a pesar de los cambios externos.

Estas diferentes representaciones espaciales (locales versus globales) coexisten en paralelo dentro del hipocampo. Esta capacidad de mantener múltiples marcos de referencia simultáneamente es una característica notable de los mapas cognitivos.

“Los mapas generados por estas dos subpoblaciones neuronales están entrelazadas, que representan tanto la información global (por ejemplo, la sala) y local (por ejemplo, los muebles)”, explica Julio Esparza, un ingeniero biomédico responsable de los análisis topológicos.

Para probar esta flexibilidad, los investigadores utilizaron la quimiogenética para “silenciar” temporalmente los tipos de células específicas. “Descubrimos que podríamos rotar los mapas espaciales internos y reorientar los anillos silenciando selectivamente neuronas superficiales o profundas”, explica Esparza.

La capacidad del cerebro para crear mapas mentales se puede utilizar para mejorar la memoria, como en la técnica del 'palacio de la memoria'. Este método ayuda a las personas a recordar información imaginando lugares familiares, como su hogar o vecindario, y colocando ideas mentalmente en diferentes puntos para que sean más fáciles de recordar.

Los resultados del equipo de CSIC abren nuevas vías para comprender cómo el cerebro procesa y representa información espacial y podría tener implicaciones para desarrollar tratamientos futuros para los trastornos neurológicos relacionados con la memoria, como la enfermedad de Alzheimer.