Una mirada a cómo nuestro cerebro organiza los recuerdos a lo largo del tiempo

La investigación sobre la organización de nuestra memoria ha sido durante mucho tiempo un tema de fascinación entre los neurocientíficos dado que esto podría conducir a tratamientos para revertir los deterioros cognitivos. Aquí, revisamos algunos hallazgos recientes sobre cómo se organiza la memoria que muestran la importancia de una "ola" coordinada de actividad neuronal en la navegación espacial, y la naturaleza temporal subyacente a cómo se codifican los recuerdos vinculados.

Con este fin, los resultados aquí descritos destacan el papel crucial y variable del hipocampo, el centro de la memoria del cerebro, en la formación y consolidación de nuestros recuerdos y, por extensión, nuestro sentido de identidad.

Dirigir la "orquesta" neuronal del cerebro: mapas espaciales en el ojo de nuestra mente

Para un ratón, ¿cómo se actualiza y se produce un mapa del espacio cuando navega por su entorno? En un estudio reciente, los científicos informan por primera vez que el área central del hipocampo CA1 en el cerebro del ratón es responsable de este mapa, y que esto ocurre a través de la entrada de ondas neurales de las regiones cerebrales cercanas. Para demostrar esto, el área del hipocampo CA3 ubicada cerca de CA1 se manipuló de manera que se apagó su entrada. De hecho, cuando se detuvo la entrada, hubo una confusión significativa de los mapas actualizados.

En este estudio, los ratones fueron modificados genéticamente para expresar una toxina en CA3 que detuvo la función de las uniones sinápticas que conectan CA3 con otras áreas del cerebro. Esto no cambia la actividad neuronal, pero elimina la comunicación entre las sinapsis y permitió a los científicos investigar qué sucede con el mapa espacial en CA1 cuando se eliminó la entrada de CA3.

A continuación, se registraron la corriente eléctrica de las neuronas individuales y la corriente eléctrica total de un grupo más grande de neuronas (denominadas potenciales de campo local) mientras los ratones corrían en una pista. Entonces, los científicos podrían medir cada ciclo theta, o el tiempo durante el cual se actualizó el mapa espacial neuronal en el hipocampo, según lo determinado por la actividad de los ratones.

Aunque los ratones transgénicos no tuvieron dificultad para realizar una tarea de navegación, y las señales de una sola neurona podían representar con precisión la información espacial, el hallazgo clave fue que había claros errores en la organización de estas señales neuronales a nivel de población global. Una analogía simple para ilustrar esto sería que la eliminación de la entrada de CA3 a CA1 no alteró la "música" neuronal, sino que eliminó el "conductor".

Este estudio es el primero en arrojar luz sobre los circuitos que conectan conjuntos de células de lugar (un tipo de neurona hipocampal involucrada en la navegación espacial) y cómo se actualizan. Más específicamente, eliminar la entrada de CA3 dificultaría la capacidad de predecir la ubicación espacial. Esto resalta la importancia fundamental de que las neuronas se activen en secuencia para garantizar que podamos organizar los recuerdos a lo largo del tiempo.

Vemos aquí que la "orquesta" neuronal necesita al "conductor" en forma de entrada de CA3, y que las neuronas individuales en el hipocampo no son suficientes para generar un mapa funcional del espacio. Esto enfatiza la interdependencia de estrategias que determinan la codificación de neuronas. En particular, hubo una marcada reducción en las oscilaciones neuronales que eran típicas de la comunicación de CA3 a CA1. Dado que tales alteraciones se han relacionado previamente con enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el trabajo futuro en la organización del ritmo cerebral podría mejorar la comprensión de cómo se organizan los circuitos del cerebro en tales enfermedades.

Perder conexiones entre recuerdos relacionados a medida que envejecemos: ¿se puede revertir esto?

En otro estudio, un grupo de científicos utilizó un microscopio diminuto (denominado Miniscopio) para ver el cerebro a través de una ventana en miniatura e investigar cómo se vinculan los recuerdos en el cerebro a lo largo del tiempo.Aunque estas conexiones se debilitan progresivamente con la edad, estos científicos fueron capaces de crear una forma que permitiera reconectar recuerdos separados en el cerebro de un ratón de mediana edad. Es importante destacar que esto tiene un gran potencial para convertirse en un tratamiento para pacientes con demencia relacionada con la edad.

El miniscopio montado en la cabeza utilizado en este estudio permitió a los científicos visualizar las neuronas que se disparaban en el cerebro mientras los ratones podían moverse libremente. Se utilizaron tres cajas únicas para este estudio, y la primera parte del estudio involucró ratones jóvenes. Aquí, cada ratón se colocó en los tres durante 10 minutos por sesión. La colocación en el primer y segundo recuadro estuvo separada por una semana, mientras que en el segundo y tercer recuadro estuvo separada sólo por cinco horas. Además, el ratón recibió una descarga en el tercer cuadro.

Después de dos días, cada ratón se devolvió a las tres cajas. Como era de esperar, los ratones se congelaron de miedo al reconocer las características de la tercera caja. Sin embargo, lo que fue intrigante fue que el ratón también se congeló cuando se colocó en la segunda caja a pesar de que no se había administrado ninguna descarga en esta caja antes. Esto sugirió que el recuerdo de la conmoción se trasladó del tercer recuadro a la experiencia del segundo recuadro que tuvo lugar cinco horas antes.

Posteriormente se llevó a cabo un experimento similar con ratones de mediana edad utilizando dos cajas, con cinco horas de diferencia, y mediante el cual se administró una descarga en la segunda caja. Se descubrió que estos ratones más viejos se congelaron solo en la segunda caja donde fueron electrocutados, y no en la primera caja. En este sentido, el Miniscope descubrió que los dos recuerdos no estaban vinculados y, en cambio, tenían circuitos neuronales codificados por separado. Más sorprendente aún, esto indicó que el envejecimiento debilitó la capacidad de las neuronas para excitarse y codificar un recuerdo.

Quizás el hallazgo más emocionante de este estudio fue que estas conexiones perdidas podrían, de hecho, ser rescatadas. En el siguiente conjunto de experimentos, los científicos primero excitaron neuronas en una región del hipocampo antes de colocar a los ratones en la primera caja. A continuación, se introdujo a los ratones en la primera y segunda caja, donde se les administró una descarga en la pata después de dos días. Tras la reintroducción a la primera caja, los ratones se congelaron cuando vincularon el choque en la segunda caja con la primera, lo que implica que la excitabilidad neuronal mejorada rescató el deterioro relacionado con la edad en la vinculación de la memoria.

Es especialmente pertinente señalar que los recuerdos no ocurren de forma aislada en la vida real, dado que las experiencias pasadas afectan la forma en que se forman los nuevos recuerdos e influyen en nuestros procesos de toma de decisiones en el futuro. Con suerte, la investigación en este campo algún día ayudaría a las personas con deterioro cognitivo relacionado con la edad en términos de mejorar sus habilidades para conectarse y retener recuerdos.

Referencias

Cai, D. J., Aharoni, D., Shuman, T., Shobe, J., Biane, J., Song, W.,… Silva, A. J. (2016). Un conjunto neuronal compartido vincula distintas memorias contextuales codificadas en el tiempo. Naturaleza, 534(7605), 115-118. doi: 10.1038 / nature17955

Feng, T., Silva, D. y Foster, D. J. (2015). Disociación entre el desarrollo dependiente de la experiencia de las secuencias Theta del hipocampo y la fase de precesión de un solo ensayo. Revista de neurociencia, 35(12), 4890–4902. doi: 10.1523 / jneurosci.2614-14.2015

Middleton, S. J. y McHugh, T. J. (2016). Silenciar CA3 interrumpe la codificación temporal en el conjunto CA1. Neurociencia de la naturaleza. doi: 10.1038 / nn.4311

Moser, E. I., Roudi, Y., Witter, M. P., Kentros, C., Bonhoeffer, T. y Moser, M.-B. (2014). Células de cuadrícula y representación cortical. Nature Reviews Neurociencia, 15(7), 466–481. doi: 10.1038 / nrn3766

Este artículo invitado apareció originalmente en el galardonado blog de ciencia y salud y en la comunidad temática del cerebro, BrainBlogger: How Does the Brain Organize Memories Across Time?