Las células de “evento” en el cerebro ayudan a organizar la memoria en segmentos significativos

Las células de "evento" en el cerebro ayudan a organizar la memoria en segmentos significativos

Nuestra recolección de eventos generalmente no es como una reproducción de video digital desde una cámara de seguridad, una observación pasiva que reconstruye fielmente los detalles espaciales y sensoriales de todo lo que sucedió. Más a menudo, la memoria segmenta lo que experimentamos en una serie de eventos discretos y conectados. Por ejemplo, es posible que recuerde que salió a caminar antes del almuerzo en un momento dado la semana pasada sin recordar la botella de refresco esparcida en la acera, el cuervo graznando en el roble en su patio o el sándwich de ensalada de pollo que comió a su regreso . Su mente designa una canasta mental para “caminar” y un contenedor posterior para “almuerzo” que, una vez accedido, pone a disposición muchos de estos detalles más finos. Este arreglo plantea la cuestión de cómo el cerebro realiza dicha categorización.

Un nuevo estudio realizado por el neurocientífico Susumu Tonegawa del Instituto de Tecnología de Massachusetts y sus colegas afirma haber descubierto el procesamiento neuronal que hace posible esta organización de la memoria en unidades discretas. El trabajo tiene implicaciones para comprender cómo los humanos generalizan el conocimiento, y podría ayudar a los esfuerzos para desarrollar sistemas de IA que aprendan más rápido.

Una región del cerebro llamada hipocampo es crítica para la formación de la memoria y también parece estar involucrada en la navegación. Las neuronas en el hipocampo llamadas células de “lugar” responden selectivamente a estar en ubicaciones específicas, formando un mapa cognitivo del medio ambiente. Dicha información espacial es claramente importante para la memoria “episódica” (autobiográfica en lugar de objetiva). Pero también lo son otros aspectos de la experiencia, como el cambio de información sensorial. Existe evidencia de que las neuronas en el hipocampo codifican cambios sensoriales al alterar la frecuencia a la que se disparan, un fenómeno denominado “reasignación de frecuencia”. Según una investigación realizada por el neurocientífico Loren Frank de la Universidad de California, San Francisco, y sus colegas, dichos cambios también pueden codificar información sobre dónde ha estado un animal y hacia dónde va, lo que permite la reasignación de la tasa para representar trayectorias de viaje.

Además de codificar variables que cambian continuamente, ya sean entradas sensoriales o trayectorias de ruta, algunos estudios de imágenes sugirieron previamente que el cerebro también procesa la experiencia como eventos segmentados. Pero no se sabía exactamente cómo se logra este proceso a nivel neural. En el nuevo estudio, publicado la semana pasada en Nature Neuroscience, el equipo, dirigido por Chen Sun, un estudiante graduado en el laboratorio de Tonegawa, ideó una tarea que intentaba desenredar la naturaleza discreta y segmentada de los eventos de los detalles espaciales y sensoriales continuamente cambiantes de la experiencia de momento a momento. Los investigadores entrenaron ratones para correr alrededor de una pista cuadrada. Después de hacer cuatro vueltas, los animales fueron recompensados ​​con un dulce regalo. Visitaron el cuadro de recompensas después de cada vuelta, segmentando cada prueba en cuatro “eventos” (con la recompensa definiendo el final de una prueba). Cada vuelta atravesaba la misma ruta, por lo que la información sensorial y de ubicación era constante de un evento a otro, lo que permitía a los investigadores atribuir las diferencias de actividad cerebral a lo que sí cambió: las vueltas o eventos.

Los investigadores registraron actividad en cientos de células del hipocampo mientras los ratones realizaban esta tarea y descubrieron que alrededor del 30 por ciento de las células mostraban un patrón específico de vuelta. Algunos de ellos estuvieron muy activos cuando un roedor corrió por el lugar al que respondió en la primera vuelta y relativamente tranquilo durante las tres vueltas restantes. Otros respondieron en la segunda vuelta mucho más que el resto, y así sucesivamente. Estas neuronas, que los investigadores denominaron “reasignación de frecuencia específica de eventos”, o ESR, células, parecían indicar en qué regazo estaba el mouse.

Para confirmar que las células ESR realmente estaban codificando eventos, los investigadores realizaron experimentos utilizando pistas alargadas a lo largo de una dimensión, aumentando su longitud. Incluso cuando la longitud de la vuelta se alteró aleatoriamente entre los ensayos, las células aún estaban mucho más activas en su vuelta preferida, lo que demuestra que la actividad no podía estar relacionada con el tiempo transcurrido o la distancia recorrida. “Los resultados respaldan la idea de que el hipocampo puede expresar representaciones de variables relevantes, incluido, en este caso, el número de vueltas desde que se entregó una recompensa”, dice Frank, que no participó en el estudio.

En otro experimento, el equipo entrenó a ratones en una pista cuadrada el primer día, luego sustituyó una pista circular en el siguiente. El cambio a un nuevo entorno dio como resultado que las respuestas espaciales de las células ESR se reasignaran completamente en la pista circular. Sorprendentemente, sin embargo, la vuelta a la que esas neuronas respondieron preferentemente seguía siendo la misma. Estos hallazgos sugieren que la actividad de ESR representa unidades segmentadas de experiencia, y que este “código de evento” se puede transferir entre diferentes experiencias que comparten una estructura común.

Tonegawa compara este proceso con un escenario familiar. “Si vas a un restaurante a cenar con tu amigo, ese episodio se compone de diferentes segmentos: llegas al restaurante, luego pides un aperitivo, luego eliges un plato principal y, por lo general, tienes postre, ” él dice. “Mientras todo esto está sucediendo, los estímulos que vienen a ti están cambiando. Pero al mismo tiempo, está compuesto por eventos distintos, en los que cambias del aperitivo a comer un plato principal, un postre, etc. ” La codificación revelada en el estudio puede explicar cómo el cerebro abstrae eventos como el “plato principal” a través de diferentes visitas a diferentes restaurantes con diferentes amigos. Y esta idea puede ofrecer una idea de cómo el cerebro generaliza el conocimiento para aprender de manera eficiente. “Estás transfiriendo el conocimiento que ya tienes, basado en la experiencia pasada, para aprender cosas nuevas”, dice Tonegawa. “Por eso podemos aprender mucho más rápido”. Cree que estas ideas podrían ayudar a los ingenieros a desarrollar sistemas de inteligencia artificial con la capacidad de transferir competencias de un entorno a otro, como los robots médicos que se trasladan de un hospital a otro.

El experimento de seguimiento circular mostró que las respuestas cerebrales que especifican su ubicación precisa pueden alterarse sin afectar la actividad específica del evento. En un experimento final, el equipo preguntó si lo contrario también es cierto. Una región llamada corteza entorrinal medial (MEC) trabaja estrechamente con el hipocampo en la cognición y navegación espacial. También hay evidencia de que está involucrado en la segmentación de la experiencia en eventos secuenciales. Los investigadores utilizaron la optogenética (una técnica que involucra células que alteran genéticamente para que puedan activarse o inhibirse con la luz) para apagar las señales del MEC al hipocampo mientras los ratones realizaban la tarea de correr. Hacerlo no tuvo ningún efecto en las respuestas específicas de la ubicación, pero interrumpió por completo las específicas de cada vuelta, lo que sugiere que la codificación de lugar y evento se puede manipular por separado, a pesar de que las mismas células procesan ambos aspectos de la experiencia.

Una limitación del estudio es que correr repetidamente alrededor de una pista es diferente a la mayoría de las experiencias naturales. “No hay demostración de que estos patrones relacionados con eventos existan la primera vez que un animal experimente un conjunto de eventos, solo que aparecen después de muchas repeticiones de una secuencia ahora familiar”, dice Frank. “Esto no es realmente lo mismo que nuestros recuerdos episódicos, donde cada nueva experiencia se codifica por separado y se almacena como un evento la primera (y a menudo la única) vez que sucede”. Él piensa que las células representan “elementos bien aprendidos y relevantes de una experiencia con elementos repetitivos”. Esa disposición, dice, recuerda los informes de estudios de neuronas del hipocampo que “se disparan de manera similar, pero no de forma idéntica, en elementos geométricamente repetidos del mismo entorno”.

“Este es un experimento perspicaz, realizado con el cuidado y numerosos controles característicos del laboratorio de Tonegawa”, dice el neurocientífico György Buzsáki de la Facultad de Medicina Grossman de la Universidad de Nueva York, que no participó en el estudio, aunque proporcionó comentarios a los investigadores. Pero Buzsáki tiene una visión más radical de lo que está sucediendo. Él piensa que todas las propiedades que los investigadores han asignado a las neuronas del hipocampo son diferentes aspectos del mismo mecanismo fundamental. Para explicar esta idea, la compara con la relación entre el movimiento del motor de un vehículo y su distancia recorrida y el tiempo de viaje, diferentes variables que reflejan un solo proceso subyacente.

En el caso de la memoria episódica, los elementos hipotéticos son qué, dónde y cuándo. “La definición de memoria episódica es:” ¿Qué me pasó, dónde y cuándo? “, Dice Buzsáki. Cuando combina estos elementos, vuelve a crear el evento. “Esto se llama memoria”, agrega. Los investigadores relacionan la actividad que observan con qué, dónde o cuándo, pero todo lo que hace el hipocampo es codificar eficientemente la experiencia en una secuencia neuronal. El hipocampo es “como un bibliotecario que le dice que vaya al estante cinco, fila dos. Entonces el siguiente libro es este, luego esto, y así sucesivamente ”, dice. Pero el bibliotecario es ciego al contenido de estas secuencias, que se construye en la corteza. Por lo tanto, la interpretación de Buzsáki de los nuevos hallazgos es que las células no codifican propiedades abstractas “específicas del evento”, como qué número de vuelta o curso de cena se está experimentandotanto como generan las secuencias ordinales que le dan a la memoria el orden necesario para que tengamos sentido.

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