Neurocientíficos descubren cómo las células de lugar del hipocampo soportan la navegación flexible en ratas

Investigadores del Sainsbury Wellcome Centre del University College London han descubierto que el hipocampo crea una representación basada en vectores para ayudar a los animales a tomar decisiones de navegación óptimas.

Publicado hoy en Naturaleza, Los investigadores informan resultados que contribuyen en gran medida a resolver el problema de cómo las células de lugar del hipocampo contribuyen a la navegación flexible. Informan que durante la navegación hacia una meta, las celdas de lugar representan información sobre la dirección y la distancia a la meta además de su representación bien establecida de la ubicación actual del animal. Descubrieron esta información dirigida a objetivos utilizando el laberinto de panal, un aparato de comportamiento que divide la navegación hacia un objetivo en una sucesión de opciones binarias.

El laberinto consta de 61 plataformas elevables individualmente. Mientras está en cada plataforma individual, la rata puede elegir entre dos plataformas adyacentes para moverse hacia la meta y, para tener éxito, debe elegir la más cercana a la dirección de la meta. El animal continúa a través de estas elecciones iterativas hasta que alcanza la meta. La tarea permite así un análisis sistemático de las decisiones de navegación que toma un animal en su progreso hacia la meta. En cada punto de elección, las celdas de lugar informan la dirección y la distancia al objetivo, así como la ubicación actual del animal.

“El laberinto de panal es muy diferente a otras tareas conductuales en neurociencia, ya que podemos usarlo para presentarles a los animales una serie de opciones de plataformas para navegar hacia un objetivo. Esto nos permite observar la toma de decisiones iterativa durante la navegación”, dijo el Dr. Jake Ormond, investigador sénior en el laboratorio de O’Keefe y primer autor del artículo.

Mientras las ratas participaban en la tarea del laberinto de panal, el Dr. Ormond y el profesor John O’Keefe registraron a partir de células de lugar, una clase de neuronas descubiertas por primera vez por el profesor O’Keefe que forman colectivamente una representación interna del espacio. Estas grabaciones les permitieron ver cómo la representación espacial se relaciona con la acción espacial en la actividad celular del lugar.

La actividad de un subgrupo de celdas de lugar individuales crea un campo vectorial orientado a ubicaciones no marcadas llamadas sumideros de convergencia (ConSinks) repartidos por el laberinto y el espacio circundante, pero concentrados cerca de la meta. En el nivel de población de células de lugar, el campo vectorial general apunta a la ubicación del objetivo desde cada punto del laberinto, proporcionando una señal que el animal puede seguir para llegar al objetivo.

“Cuando observamos la velocidad de disparo de todas las celdas, descubrimos que la población dispara con más fuerza cuando el animal se enfrenta al objetivo. También encontramos que las celdas de lugares individuales tienen ubicaciones preferidas, a las que llamamos ConSinks. Estos ConSinks estaban dispersos por todo el medio ambiente, pero colectivamente eran más densos alrededor de la portería”, comentó el Dr. Ormond.

Además, sin embargo, el disparo también proporciona información sobre otras direcciones y las clasifica en términos de qué tan bueno sería cada uno para llevar al animal a la meta si no pudiera tomar el enfoque directo. Por ejemplo, alejarse 45° de la dirección del objetivo se consideraría mejor que alejarse 90°. La existencia de esta señal responde a la pregunta de cómo los animales pueden encontrar el camino hacia una meta cuando el camino directo está bloqueado.

Si estas señales de vector de población son útiles para navegar hacia un objetivo, deberían cambiar de manera adecuada cuando se cambia la ubicación del objetivo. Y esto es exactamente lo que encontraron los experimentadores. Después de volver a entrenar a los animales para encontrar un nuevo objetivo, los campos vectoriales y los ConSinks cambiaron hacia el nuevo objetivo y continuaron acercándose a él con más experiencia.

Igualmente importante, si esta representación del hipocampo se usa para la navegación, debe haber una buena correlación entre la capacidad del animal para realizar la tarea y la representación del hipocampo de la dirección de la meta. Ormond y O’Keefe descubrieron que en las pruebas de error, la señal del hipocampo ya no apuntaba hacia la meta sino en otra dirección, lo que llevaba al animal a cometer errores.

El estudio sugiere que las células de lugar del hipocampo están formando una representación basada en vectores para apoyar las decisiones de navegación. Los vectores se definen por tener tanto una dirección como una longitud, y los campos vectoriales proporcionan un vector en cada ubicación del entorno. Es importante destacar que solo a nivel de la población celular los campos vectoriales apuntan al objetivo: el hipocampo actúa como un todo para sustentar la navegación.

El siguiente paso para los investigadores es explorar cómo las posiciones de ConSink están determinadas por señales específicas en el entorno y por las señales de integración de caminos generadas por el propio animal sobre qué tan lejos y qué tan rápido ha viajado. También planean usar la tarea de comportamiento para explorar otras regiones del cerebro que están involucradas en la navegación espacial, incluidas las áreas subiculares, que están adyacentes al hipocampo, y la corteza entorrinal, que contiene células de cuadrícula. El paradigma experimental es ideal para diseccionar el papel del hipocampo en modelos animales de la enfermedad de Alzheimer, donde la falta de navegación flexible es uno de los primeros signos de la enfermedad.

El profesor O’Keefe dijo: “Sabemos desde hace muchos años que el hipocampo es crucial para la navegación flexible y este estudio es un paso importante en nuestra comprensión de cómo lo hace. En los próximos años esperamos aprender cómo diferentes espacial “Los tipos de células en la formación del hipocampo contribuyen a la construcción de esta representación basada en vectores. También creemos que el registro de las células de lugar de ConSink durante la navegación proporcionará una herramienta poderosa para la disección de los déficits en los modelos de ratones con Alzheimer”.

Esta investigación fue financiada por Sainsbury Wellcome Center Core Grant de Gatsby Charitable Foundation y Wellcome (090843/F/09/Z), y una beca de investigación principal de Wellcome Trust (Wt203020/z/16/z) para John O’Keefe.