El sueño es esencial para adaptarse a nuevos lugares de vacaciones El sueño ayuda a los ratones a desarrollar mapas mentales coherentes de lugares, conectando débilmente las neuronas espaciales a las células de lugar para una mejor navegación.
En el primer día de tus vacaciones en una nueva ciudad, tus excursiones te llevan a varios lugares únicos. Mientras que las memorias de estos lugares (como un precioso jardín en una tranquila calle lateral) son instantáneamente memorables, puede tomar días antes de tener suficiente intuición sobre la ciudad para enviar a un visitante más nuevo al lugar similar, y luego tal vez al café que descubriste cerca. Una nueva investigación en ratones realizada por neurocientíficos del MIT en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria ofrece nueva evidencia sobre cómo el cerebro crea mapas cognitivos coherentes de áreas enteras, enfatizando el importante papel del sueño en el proceso.
Durante décadas, los científicos han sabido que el cerebro utiliza neuronas en una región conocida como el hipocampo para recordar lugares específicos. Cuando un animal está en el área que una neurona está programada para recordar, las llamadas “células de lugar” se activan de forma consistente. Más valioso que tener marcadores para áreas individuales es tener una imagen mental de cómo todas encajan juntas en una geografía general continua. Aunque los “mapas cognitivos” fueron postulados inicialmente en 1948, los neurocientíficos todavía no saben cómo el cerebro los crea. Según un nuevo estudio publicado en Cell Reports en diciembre, la capacidad puede depender de cambios sutiles pero significativos en la actividad de células que solo están débilmente sintonizadas con ubicaciones individuales pero mejoran la robustez y refinamiento de la codificación del hipocampo del espacio completo con el tiempo. Los estudios de la investigación muestran que durante el sueño, estas células “débilmente espaciales” mejoran la actividad de la red neuronal en el hipocampo, conectando varios lugares en un mapa cognitivo.
“El primer día, el cerebro no representa muy bien el espacio”, explica el autor principal Wei Guo, un científico de investigación en el laboratorio del autor principal Matthew Wilson, profesor de The Picower Institute y de los departamentos de Biología y Ciencias Cerebrales y Cognitivas del MIT. “Las neuronas representan lugares individuales, pero no crean un mapa. Pero en el Día 5, crean un mapa. Para crear un mapa, todas estas neuronas deben funcionar juntas en un conjunto coordinado.
Ratones mapean laberintos.
Para realizar el estudio, Guo y Wilson, junto con los compañeros de laboratorio Jie “Jack” Zhang y Jonathan Newman, expusieron a los ratones a laberintos básicos de varios diseños y les permitieron explorarlos libremente durante aproximadamente 30 minutos todos los días durante muchos días. Es importante destacar que no se ofrecieron recompensas especiales a los ratones para animarlos a aprender algo. Simplemente deambulan. Investigaciones anteriores han demostrado que los ratones mostraron naturalmente “aprendizaje latente” de áreas después de varios días de tales experiencias no recompensadas.
Para comprender mejor cómo ocurre el aprendizaje latente, Guo y sus colegas observaron visualmente cientos de neuronas en la sección CA1 del hipocampo programando las células para parpadear cuando se acumulaban iones de calcio, haciéndolas eléctricamente activas. Registraron los parpadeos de las neuronas tanto mientras los ratones estaban investigando activamente como cuando estaban dormidos. El laboratorio de Wilson descubrió que los animales “reproducen” sus aventuras previas mientras duermen, mejorando así sus recuerdos soñando con sus experiencias.
El análisis de las grabaciones reveló que la actividad de las células de lugar comenzó de inmediato y se mantuvo robusta y consistente a lo largo de varios días de investigación. Sin embargo, esta actividad por sí sola no puede explicar cómo el aprendizaje latente o un mapa cognitivo crece a lo largo de varios días. A diferencia de muchas otras investigaciones, que se centran principalmente en la actividad fuerte y evidente de las células de lugar, el estudio de Guo incluyó la actividad más sutil y enigmática de células que no estaban tan firmemente orientadas espacialmente.
Usando un nuevo enfoque conocido como “aprendizaje manifolds”, descubrió que muchas de las células “débilmente espaciales” conectaban progresivamente su actividad con patrones de actividad entre otras neuronas en la red, en lugar de ubicaciones. Los hallazgos de Guo revelaron que la red registró un mapa cognitivo del laberinto que se asemejaba más al área física real.
“Aunque no responde a ubicaciones específicas como las células espaciales fuertes, las células débilmente espaciales se especializan en responder a ‘’ubicaciones mentales,’’ es decir, a patrones específicos de disparo de conjuntos de otras células,’’ dijeron los autores del estudio. “Si el campo mental de una célula débilmente espacial abarca dos subconjuntos de células espaciales fuertes que codifican ubicaciones distintas, esta célula débilmente espacial puede servir de puente entre estas ubicaciones.”
En otras palabras, la actividad de las células débilmente espaciales probablemente conecta los diferentes lugares representados por las células de lugar para formar un mapa mental.
La necesidad de dormir
El grupo de Wilson y muchos otros han encontrado que la actividad cerebral durante el sueño y el descanso, como la reproducción, consolida, perfecciona y procesa los recuerdos. Por lo tanto, el equipo de Guo y Wilson se propuso determinar si el sueño era necesario para que las células débilmente espaciales contribuyeran al aprendizaje latente de mapas cognitivos.
Para hacer esto, los científicos permitieron que algunos ratones exploraran un laberinto nuevo dos veces en el mismo día, con una pausa de tres horas entre cada exploración. Algunos de los ratones pudieron dormir, mientras que otros no. Los que lo hicieron exhibieron un considerable perfeccionamiento de su mapa mental, pero aquellos a los que no se les permitió dormir mostraron poco mejoramiento. No solo mejoró la codificación de la red del mapa, sino que las mediciones del ajuste individual de las células revelaron que el sueño ayudó a que las células se sintonizaran más con ambos lugares y con los patrones de actividad de la red, a menudo conocidos como “lugares mentales” o “campos”.
Significado del mapa mental
Según Guo, los “mapas cognitivos” almacenados por los ratones durante varios días no eran planos literales y exactos de los laberintos. En cambio, se parecían más a esquemas. Su importancia radica en el hecho de que proporcionan al cerebro una topología que puede ser examinada cognitivamente en lugar de en el espacio real. Por ejemplo, una vez que hayas creado un mapa mental del barrio que rodea tu hotel, puedes planificar la excursión de la mañana siguiente.
De hecho, Wilson teorizó que la actividad de las células débilmente espaciales puede superponer información no espacial significativa, añadiendo significado a los mapas. Sin embargo, el estudio no incluyó puntos de referencia en los laberintos y no examinó los comportamientos únicos de los ratones. Sin embargo, dado que el estudio ha descubierto que estas células débilmente espaciales desempeñan un papel importante en el mapeo, Wilson dice que futuras investigaciones podrían estudiar qué tipo de información absorbieron en la comprensión de los animales de su entorno. Parece que naturalmente percibimos los lugares donde vivimos como algo más que simples colecciones de ubicaciones distintas.
“En este estudio nos centramos en animales que se comportan naturalmente y demostramos que durante el comportamiento exploratorio libre y el sueño subsiguiente, en ausencia de refuerzo, todavía ocurren cambios plásticos neuronales sustanciales a nivel de los conjuntos,” dijeron los autores del artículo. “Esta forma de aprendizaje implícito y no supervisado constituye un aspecto crucial del aprendizaje humano y la inteligencia, que merece investigaciones más profundas.”
