Un estudio revela un nuevo papel educativo para la corteza entorrinal

Un estudio revela un nuevo papel educativo para la corteza entorrinal

Una pregunta de larga data en neurociencia es cómo los cerebros de los mamíferos (incluido el nuestro) se adaptan a entornos, información y experiencias externas. En un estudio de cambio de paradigma publicado en Nature, investigadores del Instituto de Investigación Neurológica Jan y Dan Duncan (Duncan NRI) del Texas Children's Hospital y del Baylor College of Medicine han descubierto los pasos mecanísticos subyacentes a un nuevo tipo de plasticidad sináptica llamada plasticidad sináptica de escala de tiempo conductual (BTSP). El estudio dirigido por el Dr. Jeffrey Magee, profesor de Baylor que también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes e investigador de Duncan NRI, muestra cómo la corteza entorrinal (EC) envía señales instructivas al hipocampo; la región del cerebro crítica para la navegación espacial, la codificación y consolidación de la memoria; y le indica que reorganice específicamente la ubicación y la actividad de un subconjunto particular de sus neuronas para lograr un comportamiento alterado en respuesta a su entorno cambiante y señales espaciales.

Las neuronas se comunican entre sí transmitiendo señales eléctricas o químicas a través de conexiones llamadas sinapsis. La plasticidad sináptica se refiere a la capacidad adaptativa de estas conexiones neuronales para volverse más fuertes o más débiles con el tiempo en respuesta directa a cambios en su entorno externo. Esta capacidad adaptativa de nuestras neuronas para responder con rapidez y precisión a señales externas es fundamental para nuestra supervivencia y crecimiento y constituye la base neuroquímica del aprendizaje y la memoria.

La actividad cerebral y el comportamiento de un animal se adaptan rápidamente a los cambios espaciales.

Para identificar el mecanismo subyacente a la capacidad del cerebro de los mamíferos para aprender de forma adaptativa, la Dra. Christine Grienberger, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Magee y autora principal del estudio, midió la actividad de un grupo específico de células de lugar, que son neuronas especializadas del hipocampo que crean y actualizan "mapas" de entornos externos. Adjuntó un potente microscopio al cerebro de estos ratones y midió la actividad de estas células mientras los ratones corrían en una cinta rodante lineal.

En la fase inicial, los ratones estaban acostumbrados a esta configuración experimental y la posición de la recompensa (agua azucarada) se cambiaba con cada ronda. "En esta fase, los ratones corrían continuamente a la misma velocidad mientras lamían continuamente la pista. Esto significaba que las células de lugar en estos ratones formaban un patrón de mosaico uniforme", dijo el Dr. Grienberger, actualmente profesor asistente en la Universidad de Brandeis.

En la siguiente fase, adjuntó la recompensa a una ubicación específica de la pista junto con algunas señales visuales para orientar a los ratones y midió la actividad del mismo grupo de neuronas.

He visto que cambiar la ubicación de la recompensa cambió el comportamiento de estos animales. Luego, los ratones se detuvieron poco antes del punto de recompensa para probar el agua azucarada. Y lo que es aún más interesante, este cambio de comportamiento estuvo acompañado de una mayor densidad y actividad de las células de lugar alrededor del sitio de recompensa. Esto sugiere que los cambios en las señales espaciales pueden conducir a una reorganización adaptativa y a la actividad de las neuronas del hipocampo”.

Dra. Christine Grienberger, profesora adjunta, Universidad Brandeis

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Este paradigma experimental permitió a los investigadores examinar cómo los cambios en las señales espaciales dan forma al cerebro de los mamíferos para producir nuevos comportamientos adaptativos.

Durante más de 70 años, la teoría hebbiana, resumida coloquialmente como "neuronas que se activan juntas, se conectan juntas", dominó la visión de los neurocientíficos sobre cómo las sinapsis se fortalecen o debilitan con el tiempo. Aunque esta teoría bien estudiada constituye la base de varios avances en el campo de la neurociencia, tiene algunas limitaciones. En 2017, investigadores del laboratorio de Magee descubrieron un nuevo y poderoso tipo de plasticidad sináptica, la plasticidad sináptica en escala de tiempo conductual (BTSP), que supera estas limitaciones y proporciona un modelo que imita mejor la escala de tiempo de cómo aprendemos o recordamos eventos relacionados en la vida real.

Utilizando el nuevo paradigma experimental, el Dr. Grienberger descubrió que en la segunda fase, las neuronas de células de lugar previamente silenciosas adquirieron abruptamente grandes campos de lugar en una sola ronda después de que se había establecido la ubicación de la recompensa. Este hallazgo es consistente con una forma no hebbiana de plasticidad y aprendizaje sinápticos. Experimentos adicionales confirmaron que los cambios adaptativos observados en las células del hipocampo y el comportamiento de estos ratones se debían en realidad al BTSP.

La corteza entorrinal instruye a las células del hipocampo a responder a los cambios espaciales

Con base en estudios previos, el equipo de Magee sabía que BTSP implica una señal de instrucción/monitoreo que no necesariamente está dentro o adyacente a las neuronas objetivo activadas (en este caso, las células del hipocampo). Para identificar el origen de esta señal de instrucción, examinaron las proyecciones axonales de una región cerebral cercana llamada corteza entorrinal (CE), que inerva el hipocampo y actúa como puerta de entrada entre el hipocampo y las regiones neocorticales que controlan los procesos ejecutivos superiores y de toma de decisiones.

"Descubrimos que la inhibición dirigida de un subconjunto de axones EC que inervan las neuronas del hipocampo CA1 de las que registramos impidió el desarrollo de representaciones excesivas de recompensa de CA1 en el cerebro", dijo el Dr. Magee.

Basándose en varias líneas de investigación, llegaron a la conclusión de que la corteza entorrinal proporciona una señal de instrucción objetivo relativamente invariante que indica al hipocampo que reorganice la posición y la actividad de las células de lugar, lo que a su vez influye en el comportamiento del animal.

"El descubrimiento de que una parte del cerebro (complejo entorrinal) puede ordenar a otra región del cerebro (hipocampo) que cambie la posición y la actividad de sus neuronas (lugar de las células) es un descubrimiento extraordinario en neurociencia", añadió el Dr. Magee. "Cambia completamente nuestra visión de cómo se producen en el cerebro los cambios dependientes del aprendizaje y revela nuevas posibilidades que transformarán y guiarán nuestro enfoque de las enfermedades neurológicas y neurodegenerativas en el futuro".

Este estudio fue financiado por el Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Cullen y el Instituto de Investigación Neurológica Jan y Dan Duncan del Hospital Infantil de Texas.

Fuente:

Hospital de niños de Texas

Referencia:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) La corteza entorrinal controla los cambios relacionados con el aprendizaje en las representaciones de CA1. Naturaleza. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

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