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El sueño es esencial para adaptarse en nuevos destinos de vacaciones. El sueño ayuda a los ratones a desarrollar mapas mentales coherentes de lugares, conectando débilmente las neuronas espaciales a las células de lugar para mejorar la navegación.
En el primer día de tus vacaciones en una nueva ciudad, tus excursiones te llevan a varios lugares únicos. Si bien los recuerdos de estos lugares (como un hermoso jardín en una tranquila calle lateral) son instantáneamente memorables, puede pasar varios días antes de que tengas suficiente intuición sobre la ciudad para enviar a un visitante más nuevo al lugar similar, y luego tal vez al café que descubriste cerca. Una nueva investigación de ratones realizada por neurocientíficos del MIT en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria proporciona nueva evidencia sobre cómo el cerebro crea mapas cognitivos coherentes de áreas enteras, enfatizando el importante papel del sueño en el proceso.
Durante décadas, los científicos han sabido que el cerebro utiliza neuronas en una región conocida como el hipocampo para recordar lugares específicos. Cuando un animal está en el área que una neurona está programada para recordar, las llamadas “células de lugar” se activan consistentemente. Más valioso que tener marcadores para áreas individuales es tener una imagen mental de cómo todas ellas encajan juntas en una geografía general continua. Aunque tales “mapas cognitivos” fueron postulados inicialmente en 1948, los neurocientíficos aún desconocen cómo el cerebro los crea. Según un nuevo estudio publicado en Cell Reports en diciembre, dicha capacidad puede depender de cambios sutiles pero significativos en la actividad de las células que están débilmente sintonizadas con las ubicaciones individuales pero mejoran la robustez y refinamiento de la codificación del hipocampo del espacio completo con el tiempo. Los estudios del estudio muestran que durante el sueño, estas células “débilmente espaciales” mejoran la actividad de la red neural en el hipocampo, conectando diversas ubicaciones en un mapa cognitivo.
“El primer día, el cerebro no representa el espacio muy bien”, explica el autor principal Wei Guo, un científico de investigación en el laboratorio del autor senior Matthew Wilson, el Profesor Sherman Fairchild del Instituto Picower y de los departamentos de Biología y Ciencias Cerebrales y Cognitivas del MIT. “Las neuronas representan lugares individuales, pero no crean un mapa. Pero en el día 5, crean un mapa. Para crear un mapa, todas estas neuronas deben funcionar juntas en un conjunto coordinado”.
Los ratones mapean laberintos.
Para llevar a cabo el estudio, Guo y Wilson, junto con sus compañeros de laboratorio Jie “Jack” Zhang y Jonathan Newman, expusieron a los ratones a laberintos básicos de varios diseños y les permitieron explorarlos libremente durante aproximadamente 30 minutos cada día durante muchos días. Es importante destacar que no se ofrecieron recompensas especiales a los ratones para incentivarlos a aprender algo. Simplemente vagaban. Investigaciones anteriores han demostrado que los ratones mostraron naturalmente “aprendizaje latente” de áreas después de varios días de tales experiencias no recompensadas.
Para comprender mejor cómo ocurre el aprendizaje latente, Guo y sus colegas observaron visualmente cientos de neuronas en la sección CA1 del hipocampo programando células para que destellen cuando se acumulan iones de calcio, haciendo que sean eléctricamente activas. Registraron los destellos de las neuronas tanto mientras los ratones estaban explorando activamente como cuando estaban dormidos. El laboratorio de Wilson descubrió que los animales “reproducen” sus aventuras anteriores mientras duermen, mejorando así sus recuerdos soñando con sus experiencias.
El análisis de las grabaciones reveló que la actividad de las células de lugar comenzó inmediatamente y se mantuvo sólida y consistente a lo largo de varios días de exploración. Sin embargo, esta actividad por sí sola no puede explicar cómo crece el aprendizaje latente o un mapa cognitivo en varios días. A diferencia de muchas otras investigaciones, que se centran principalmente en la actividad fuerte y evidente de las células de lugar, el estudio de Guo incluyó la actividad más sutil y enigmática de las células que no estaban tan firmemente orientadas espacialmente.
Utilizando un nuevo enfoque conocido como “aprendizaje de variedades”, descubrió que muchas de las células “débilmente espaciales” conectaban progresivamente su actividad con los patrones de actividad entre otras neuronas en la red, en lugar de las ubicaciones. Los hallazgos de Guo revelaron que la red registraba un mapa cognitivo del laberinto que se volvía más similar al área física real.
“Si bien no responden a ubicaciones específicas como las células espaciales fuertes, las células débilmente espaciales se especializan en responder a ”ubicaciones mentales”, es decir, patrones específicos de disparo del conjunto de otras células”, dijeron los autores del estudio. “Si el campo mental de una célula débilmente espacial abarca dos subconjuntos de células fuertemente espaciales que codifican ubicaciones distintas, esta célula débilmente espacial puede servir como puente entre estas ubicaciones”.
La necesidad de dormir.
El grupo de Wilson y muchos otros han descubierto que la actividad cerebral durante el sueño y el descanso, como la reproducción, consolida, refina y procesa los recuerdos. Por lo tanto, el equipo de Guo y Wilson se propusieron determinar si el sueño era necesario para que las células débilmente espaciales contribuyeran al aprendizaje latente de mapas cognitivos.
Para hacer esto, los científicos permitieron que algunos ratones exploraran un laberinto novel dos veces en el mismo día, con un descanso de tres horas entre medio. A algunos ratones se les permitió dormir, mientras que a otros no. Los que lo hicieron exhibieron un considerable refinamiento de su mapa mental, pero aquellos a quienes no se les permitió dormir mostraron poca mejora. No solo mejoró la codificación de la red del mapa, sino que las mediciones del ajuste individual de las células revelaron que el sueño ayudó a las células a sintonizarse más con las ubicaciones y patrones de actividad de la red, a menudo conocidos como “lugares mentales” o “campos”.
Significado del mapa mental.
Según Guo, los “mapas cognitivos” almacenados por los ratones durante varios días no eran planos literales ni precisos de los laberintos. En cambio, se parecían más a esquemas. Su importancia reside en el hecho de que proporcionan al cerebro una topología que puede ser examinada cognitivamente en lugar de en el espacio real. Por ejemplo, una vez que hayas creado un mapa mental del vecindario que rodea tu hotel, puedes planificar la excursión de la mañana siguiente.
De hecho, Wilson teorizó que la actividad de las células débilmente espaciales puede superponer información no espacial significativa, agregando significado a los mapas. Sin embargo, el estudio no incluyó referencias en los laberintos ni examinó los comportamientos únicos de los ratones. Sin embargo, dado que el estudio ha descubierto que estas células débilmente espaciales desempeñan un papel importante en el mapeo, Wilson dice que futuras investigaciones pueden analizar qué tipo de información están absorbiendo en la comprensión de los animales de su entorno. Parece que percibimos naturalmente los lugares donde vivimos como algo más que solo colecciones de ubicaciones distintas.
“En este estudio nos centramos en animales que se comportan de forma natural y demostramos que durante el comportamiento exploratorio libre y el sueño posterior, en ausencia de refuerzo, todavía ocurren cambios plásticos neuronales sustanciales a nivel de conjunto”, dijeron los autores del artículo. “Esta forma de aprendizaje implícito y no supervisado constituye un aspecto crucial del aprendizaje humano e inteligencia, lo que justifica investigaciones más profundas”.
