GPS tridimensional del cerebro.

tridimensional

Image Credits: FDI.

Los pilotos están entrenados para evitar el vértigo, la pérdida repentina de la orientación en sentido vertical que les imposibilita diferenciar entre arriba y abajo, causando accidentes en algunas ocasiones. Al salir de una estación de metro uno puede sufrir la misma confusión y por algunos segundos uno duda qué dirección tomar hasta que recupera el sentido de orientación.

Se cree que en estos dos casos la desorientación se debe a un malfuncionamiento temporal del circuito cerebral que funciona como una brújula tridimensional (3D).

Investigadores del Instituto Weizmann han demostrado por primera vez la existencia de una brújula 3D en el cerebro de mamífero. La investigación fue realizada por el estudiante de posgrado Arseny Finkelstein, en el laboratorio del Prof. Nachum Ulanovsky del Departamento de Neurobiología, en conjunto con el Dr. Dori Derdikman, el Dr. Alon Rubin, Jakob N. Foerster y la Dra. Liora Las.

En su publicación en Nature, los investigadores mostraron que los cerebros de los murciélagos contienen neuronas que detectan la dirección hacia la cual apunta su cabeza, lo que ayuda a la navegación del animal en el espacio 3D.

La navegación se basa en la memoria espacial: experiencia pasada en distintos lugares. Esta memoria se ubica principalmente en una profunda estructura cerebral llamada formación hipocampal.

En mamíferos, tres tipos de células cerebrales localizadas en distintas áreas de la formación hipocampal, forman componentes claves del sistema de navegación: células de “lugar” y de “red” funcionan como un sistema de posicionamiento global (GPS), permitiendo a los animales mantener un registro de su posición.

El tercer tipo de células, “direccionales de la cabeza”, reaccionan cuando la cabeza del animal apunta a una dirección específica, actuando como una brújula. Se han realizado numerosas investigaciones sobre las células de lugar y de red, cuyos descubridores fueron galardonados con el Premio Nobel 2014 de Fisiología y Medicina.

Sin embargo, hasta hoy en día, las células direccionales de la cabeza habían sido estudiadas en ratas sólo en espacios bidimensionales (2D) y se sabía poco acerca de la codificación cerebral tridimensional de la dirección de la cabeza en el cerebro.

Para estudiar el funcionamiento de las células direccionales de la cabeza en 3D, investigadores del Instituto Weizmann desarrollaron un aparato rastreador que les permitió monitorear, por medio de video, los tres ángulos de rotación de la cabeza – o en terminología de aviación: la guiñada, el cabeceo y el alabeo – y observar los movimientos de los murciélagos egipcios de la fruta en su libre comportamiento. Simultáneamente, la actividad neuronal de los murciélagos fue monitoreada por medio de micro-electrodos implantados.

Los datos obtenidos gracias a estos micro-electrodos revelaron que en una subregión específica de la formación hipocampal, las neuronas son sintonizadas con un ángulo particular 3D de la cabeza: ciertas neuronas se activan sólo cuando la cabeza del animal apunta hacia este ángulo 3D. El estudio también reveló por primera vez cómo el cerebro computa el sentido de la dirección vertical e integra esta información con el de la horizontal.

Resulta que, en la brújula neuronal, estas direcciones son computadas de forma independiente, a distintos niveles de complejidad. Los investigadores descubrieron que las células direccionales de la cabeza en una región de la formación hipocampal eran activadas en respuesta a la orientación del murciélago respecto a la superficie horizontal, es decir, facilitando la orientación del animal en dos dimensiones, mientras que las células que responden al componente vertical del movimiento del murciélago – es decir, una orientación 3D – se localizaban en otra región.

Los investigadores creen que las células direccionales de la cabeza en 2D podrían servir para la locomoción en superficies, como sucede en los humanos cuando manejan un automóvil, mientras que las células 3D podrían ser importantes para maniobras complejas en el espacio, como escalar las ramas de un árbol o, en el caso de los humanos, moverse entre rascacielos o pilotear un avión.

Al realizar más experimentos en murciélagos “invertidos”, aquellos que cuelgan con la cabeza para abajo, los científicos fueron capaces de clarificar exactamente cómo las señales direccionales de la cabeza son computadas en el cerebro del murciélago.

Resultó que estos cálculos son realizados de una forma que puede ser descrita por un sistema de coordenadas matemáticas excepcionalmente eficiente (el término técnico es “toroidal”). Gracias a este sistema de cómputo utilizado por el cerebro, los murciélagos pueden orientarse eficientemente en el espacio tanto si se mueven con la cabeza hacia arriba como hacia abajo.

Esta investigación corrobora la idea de que las células direccionales de la cabeza en la formación hipocampal funcionan como una brújula 3D neuronal. Pese a que el estudio fue realizado en murciélagos, lo científicos creen que sus hallazgos podrían aplicarse a mamíferos no voladores, entre ellos ardillas y monos que saltan entre las ramas de los árboles, así como a humanos.

“Ahora este esquema puede ser aplicado a otras especies que experimentan las tres dimensiones de un modo más limitado”, escribe la Prof. May-Britt Moser, una de las laureadas con el Premio Nobel 2014, en la sección “News and Views” de la revista Nature, que acompaña el trabajo del Instituto Weizmann publicado en la misma revista.

 
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