Una celda de cuadrícula es un tipo de neurona dentro de la corteza entorrinal que se dispara a intervalos regulares cuando un animal navega por un área abierta, lo que le permite comprender su posición en el espacio almacenando e integrando información sobre ubicación, distancia y dirección. [1] Se han encontrado células de rejilla en muchos animales, incluidas ratas , [1] ratones , [2] murciélagos , [3] monos , [4] y humanos. [5] [6]
Las celdas de cuadrícula fueron descubiertas en 2005 por Edvard Moser , May-Britt Moser y sus estudiantes Torkel Hafting, Marianne Fyhn y Sturla Molden en el Centro de Biología de la Memoria (CBM) en Noruega. Fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2014 junto con John O'Keefe por sus descubrimientos de células que constituyen un sistema de posicionamiento en el cerebro. La disposición de los campos de disparo espaciales, todos a distancias iguales de sus vecinos, llevó a la hipótesis de que estas células codifican una representación neuronal del espacio euclidiano . [1] El descubrimiento también sugirió un mecanismo para el cálculo dinámico de la autoposición basado en información continuamente actualizada sobre la posición y la dirección.
Para detectar la actividad de las células de la rejilla en un experimento típico con ratas, se implanta un electrodo que puede registrar la actividad de una sola neurona en la corteza entorrinal dorsomedial y recopila grabaciones a medida que la rata se mueve libremente en un campo abierto. Los datos resultantes se pueden visualizar marcando la posición de la rata en un mapa de la arena cada vez que la neurona dispara un potencial de acción . Estas marcas se acumulan con el tiempo para formar un conjunto de pequeños grupos, que a su vez forman los vértices de una cuadrícula de triángulos equiláteros. El patrón de triángulo regular distingue las celdas de la cuadrícula de otros tipos de celdas que muestran disparos espaciales. Por el contrario, si una célula de lugar del hipocampo de rata se examina de la misma manera, entonces las marcas con frecuencia solo formarán un grupo (un "campo de lugar") en un entorno dado, e incluso cuando se ven múltiples grupos, no hay regularidad perceptible en su disposición.
Antecedentes del descubrimiento
En 1971, John O'Keefe y Jonathon Dostrovsky informaron del descubrimiento de células de lugar en el hipocampo de rata, células que disparan potenciales de acción cuando un animal pasa a través de una pequeña región específica del espacio, que se llama campo de lugar de la célula. [7] Este descubrimiento, aunque controvertido al principio, dio lugar a una serie de investigaciones que culminaron con la publicación en 1978 de un libro de O'Keefe y su colega Lynn Nadel titulado El hipocampo como mapa cognitivo (una frase que también apareció en el título del artículo de 1971) [8]: el libro argumentó que la red neuronal del hipocampo crea mapas cognitivos como la hipótesis del psicólogo Edward C. Tolman . Esta teoría despertó un gran interés y motivó cientos de estudios experimentales destinados a esclarecer el papel del hipocampo en la memoria espacial y la navegación espacial.
Debido a que la corteza entorrinal proporciona, con mucho, la entrada más grande al hipocampo, era claramente importante comprender las propiedades de activación espacial de las neuronas entorrinales. Los primeros estudios, como Quirk et al. (1992), describieron las neuronas de la corteza entorrinal con campos de lugar relativamente grandes y difusos. [9] Sin embargo, los Moser pensaron que era posible que se obtuviera un resultado diferente si las grabaciones se hicieran desde una parte diferente de la corteza entorrinal. La corteza entorrinal es una tira de tejido que recorre el borde posterior del cerebro de la rata desde el lado ventral hasta el dorsal. Los estudios anatómicos habían demostrado que diferentes sectores de la corteza entorrinal se proyectan a diferentes niveles del hipocampo: el extremo dorsal de la CE se proyecta al hipocampo dorsal y el extremo ventral al hipocampo ventral. [10] Esto fue relevante porque varios estudios habían demostrado que las células de lugar en el hipocampo dorsal tienen campos de lugar considerablemente más nítidos que las células de niveles más ventrales. [11] Cada estudio de la actividad espacial entorrinal antes de 2004, sin embargo, había hecho uso de electrodos implantados cerca del extremo ventral de la CE. En consecuencia, junto con Marianne Fyhn, Sturla Molden y Menno Witter, los Moser se propusieron examinar el disparo espacial desde los diferentes niveles dorsal a ventral de la corteza entorrinal. Descubrieron que en la parte dorsal de la corteza entorrinal medial (MEC), las células tenían campos de lugar claramente definidos como en el hipocampo, pero las células se disparaban en múltiples ubicaciones. [12] La disposición de los campos de tiro mostró indicios de regularidad, pero el tamaño del entorno era demasiado pequeño para que la periodicidad espacial fuera visible en este estudio.
El siguiente conjunto de experimentos, informado en 2005, hizo uso de un entorno más grande, lo que llevó al reconocimiento de que las células en realidad estaban disparando en un patrón de cuadrícula hexagonal. [1] El estudio mostró que las celdas en niveles similares de MEC dorsal a ventral tenían un espaciado de cuadrícula y una orientación de cuadrícula similares, pero la fase de la cuadrícula (el desplazamiento de los vértices de la cuadrícula en relación con los ejes xey) parecía estar distribuida aleatoriamente entre celdas. El patrón de disparo periódico se expresó independientemente de la configuración de los puntos de referencia, en la oscuridad y en presencia de puntos de referencia visibles e independientemente de los cambios en la velocidad y dirección del animal, lo que llevó a los autores a sugerir que las celdas de la cuadrícula expresaban una dinámica dependiente de la integración de la ruta. cálculo de la ubicación del animal.
Por su descubrimiento de celdas de cuadrícula, May-Britt Moser y Edvard Moser fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2014 junto con John O'Keefe.
Propiedades
Las células de la cuadrícula son neuronas que se activan cuando un animal que se mueve libremente atraviesa un conjunto de pequeñas regiones (campos de activación) que tienen aproximadamente el mismo tamaño y están dispuestas en una matriz triangular periódica que cubre todo el entorno disponible. [1] Se han encontrado células con este patrón de disparo en todas las capas de la corteza entorrinal medial dorsocaudal (dMEC), pero las células en diferentes capas tienden a diferir en otros aspectos. La capa II contiene la mayor densidad de celdas de cuadrícula puras, en el sentido de que disparan igualmente independientemente de la dirección en la que un animal atraviesa una ubicación de cuadrícula. Las celdas de cuadrícula de capas más profundas se entremezclan con celdas conjuntivas y celdas de dirección de la cabeza (es decir, en las capas III, V y VI hay celdas con un patrón similar a una cuadrícula que se disparan solo cuando el animal mira en una dirección particular). [13]
Las celdas de la cuadrícula que se encuentran una al lado de la otra (es decir, las celdas grabadas del mismo electrodo) generalmente muestran el mismo espaciado y orientación de la cuadrícula, pero sus vértices de cuadrícula se desplazan entre sí por desplazamientos aparentemente aleatorios. Sin embargo, las celdas registradas a partir de electrodos separados a una distancia entre sí muestran con frecuencia diferentes espaciamientos de rejilla. Las celdas que están ubicadas más ventralmente (es decir, más lejos del borde dorsal del MEC) generalmente tienen campos de disparo más grandes en cada vértice de la cuadrícula y, en consecuencia, un mayor espaciado entre los vértices de la cuadrícula. [1] El rango total de espaciamientos de cuadrícula no está bien establecido: el informe inicial describió un rango aproximadamente doble de espaciamientos de cuadrícula (de 39 cm a 73 cm) a lo largo de la parte más dorsal (25% superior) del MEC, [1] pero hay indicios de escalas de cuadrícula considerablemente mayores en zonas más ventrales. Brun y col. (2008) registraron celdas de cuadrícula de múltiples niveles en ratas que corrían a lo largo de una pista de 18 metros y encontraron que el espaciado de la cuadrícula se expandía desde aproximadamente 25 cm en sus sitios más dorsal hasta aproximadamente 3 m en los sitios más ventrales. [14] Estas grabaciones solo se extendieron 3/4 del camino hasta la punta ventral, por lo que es posible que existan rejillas aún más grandes. Se ha demostrado que estas representaciones de múltiples escalas son información teóricamente deseable. [15]
La actividad de la celda de la cuadrícula no requiere información visual, ya que los patrones de la cuadrícula permanecen sin cambios cuando todas las luces de un entorno están apagadas. [1] Sin embargo, cuando hay señales visuales, estas ejercen un fuerte control sobre la alineación de las cuadrículas: al girar una tarjeta de señal en la pared de un cilindro, los patrones de la cuadrícula giran en la misma cantidad. [1] Los patrones de cuadrícula aparecen en la primera entrada de un animal en un entorno nuevo y, por lo general, permanecen estables a partir de entonces. [1] Cuando un animal se traslada a un entorno completamente diferente, las celdas de la cuadrícula mantienen su espaciado de cuadrícula y las cuadrículas de las celdas vecinas mantienen sus desplazamientos relativos. [1]
Interacciones con células de lugar del hipocampo
Cuando una rata se traslada a un entorno diferente, los patrones de actividad espacial de las células del lugar del hipocampo suelen mostrar una "reasignación completa" , es decir, el patrón de los campos de lugar se reorganiza de una manera que no tiene ningún parecido detectable con el patrón del entorno original. [16] Sin embargo, si las características de un entorno se alteran de manera menos radical, el patrón de campo de lugar puede mostrar un menor grado de cambio, lo que se conoce como "reasignación de velocidad" , en el que muchas celdas alteran sus tasas de activación, pero la mayoría de las celdas retienen coloque los campos en las mismas ubicaciones que antes. Esto se examinó utilizando grabaciones simultáneas de células hipocampales y entorrinales, y se encontró que en situaciones en las que el hipocampo muestra una reasignación de frecuencia, las celdas de la cuadrícula muestran patrones de disparo inalterados, mientras que cuando el hipocampo muestra una reasignación completa, los patrones de disparo de las células de la cuadrícula muestran cambios y rotaciones impredecibles. [17]
Ritmicidad theta
La actividad neuronal en casi todas las partes del sistema hipocampal está modulada por el ritmo theta del hipocampo , que tiene un rango de frecuencia de aproximadamente 6 a 9 Hz en ratas. La corteza entorrinal no es una excepción: al igual que el hipocampo, recibe información colinérgica y GABAérgica del área del tabique medial , el controlador central de theta. Las células de la cuadrícula, como las células de lugar del hipocampo, muestran una fuerte modulación theta. [1] Las células de la rejilla de la capa II de la MEC también se parecen a las células del lugar del hipocampo en que muestran precesión de fase , es decir, su actividad de picos avanza desde las fases tardías hasta las primeras del ciclo theta cuando un animal pasa a través de un vértice de la rejilla. Un modelo reciente de actividad de la celda de la rejilla explicó esta precesión de fase asumiendo la presencia de una red atractora unidimensional compuesta de células estrelladas. [18] La mayoría de las celdas de la cuadrícula de la capa III no precesan, pero su actividad de picos se limita en gran medida a la mitad del ciclo theta. La precesión de la fase celular de la rejilla no se deriva del hipocampo, porque continúa apareciendo en animales cuyo hipocampo ha sido inactivado por un agonista de GABA. [19]
Posibles funciones
Muchas especies de mamíferos pueden realizar un seguimiento de la ubicación espacial incluso en ausencia de señales visuales, auditivas, olfativas o táctiles, integrando sus movimientos; la capacidad de hacer esto se conoce en la literatura como integración de ruta . Varios modelos teóricos han explorado mecanismos mediante los cuales las redes neuronales podrían realizar la integración de rutas. En la mayoría de los modelos, como los de Samsonovich y McNaughton (1997) [20] o Burak y Fiete (2009), [21] los ingredientes principales son (1) una representación interna de la posición, (2) representaciones internas de la velocidad y dirección de movimiento, y (3) un mecanismo para cambiar la posición codificada en la cantidad correcta cuando el animal se mueve. Debido a que las celdas en el MEC codifican información sobre la posición (celdas de la cuadrícula [1] ) y el movimiento (celdas de dirección de la cabeza y celdas conjuntivas de posición por dirección [13] ), esta área se considera actualmente como el candidato más prometedor para el lugar en el cerebro donde se produce la integración de caminos. Sin embargo, la pregunta sigue sin resolverse, ya que en los seres humanos la corteza entorrinal no parece ser necesaria para la integración de la ruta. [22] Burak y Fiete (2009) demostraron que una simulación computacional del sistema de celdas de cuadrícula era capaz de realizar la integración de rutas con un alto nivel de precisión. [21] Sin embargo, un trabajo teórico más reciente ha sugerido que las celdas de la cuadrícula podrían realizar un proceso de eliminación de ruido más general no necesariamente relacionado con el procesamiento espacial. [23]
Hafting et al. (2005) [1] sugirió que un código de lugar se calcula en la corteza entorrinal y se alimenta al hipocampo , lo que puede hacer las asociaciones entre el lugar y los eventos que se necesitan para la formación de recuerdos.
A diferencia de una celda de lugar del hipocampo , una celda de cuadrícula tiene múltiples campos de disparo, con espaciado regular, que teselan el entorno en un patrón hexagonal. Las propiedades únicas de las celdas de la cuadrícula son las siguientes:
- Las celdas de cuadrícula tienen campos de disparo dispersos por todo el entorno (en contraste con los campos de lugar que están restringidos a ciertas regiones específicas del entorno)
- Los campos de cocción están organizados en una celosía hexagonal.
- Los campos de tiro están generalmente separados por igual, de modo que la distancia desde un campo de tiro a los seis campos de tiro adyacentes es aproximadamente la misma (aunque cuando se cambia el tamaño de un entorno, el espacio de campo puede encogerse o expandirse de manera diferente en diferentes direcciones; Barry et al. 2007)
- Los campos de disparo están igualmente posicionados, de modo que los seis campos vecinos se encuentran en incrementos de aproximadamente 60 grados
Las celdas de la cuadrícula están ancladas a puntos de referencia externos, pero persisten en la oscuridad, lo que sugiere que las celdas de la cuadrícula pueden ser parte de un mapa del entorno espacial basado en el movimiento propio.
Ver también
- Célula límite , descubierta en 2008.
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l m n Hafting, T .; Fyhn, M .; Molden, S .; Moser, MB; Moser, IE (2005). "Microestructura de un mapa espacial en la corteza entorrinal". Naturaleza . 436 (7052): 801–806. Código bibliográfico : 2005Natur.436..801H . doi : 10.1038 / nature03721 . PMID 15965463 . S2CID 4405184 .
- ^ Fyhn, M .; Hafting, T .; Witter, diputado; Moser, EI; Moser, MB (2008). "Células de cuadrícula en ratones". Hipocampo . 18 (12): 1230-1238. doi : 10.1002 / hipo.20472 . PMID 18683845 . S2CID 25196865 .
- ^ Yartsev, MM; Witter, diputado; Ulanovsky, N. (2011). "Células de cuadrícula sin oscilaciones theta en la corteza entorrinal de los murciélagos". Naturaleza . 479 (7371): 103–107. Código Bib : 2011Natur.479..103Y . doi : 10.1038 / nature10583 . PMID 22051680 . S2CID 1978069 .
- ^ Killian, Nueva Jersey; Jutras, MJ; Buffalo, EA (2012). "Un mapa del espacio visual en la corteza entorrinal de primates" . Naturaleza . 491 (7426): 761–4. Código bibliográfico : 2012Natur.491..761K . doi : 10.1038 / nature11587 . PMC 3565234 . PMID 23103863 .
- ^ Jacobs, J .; Weidemann, CT; Miller, JF; Solway, A .; Burke, JF; Wei, XX; Suthana, N .; Sperling, MR; Sharan, AD; Fried, I .; Kahana, MJ (2013). "Grabaciones directas de la actividad neuronal en forma de cuadrícula en la navegación espacial humana" . Neurociencia de la naturaleza . 16 (9): 1188–90. doi : 10.1038 / nn.3466 . PMC 3767317 . PMID 23912946 .
- ^ Doeller, CF; Barry, C .; Burgess, N. (2010). "Evidencia de celdas de cuadrícula en una red de memoria humana" . Naturaleza . 463 (7281): 657–661. Código Bibliográfico : 2010Natur.463..657D . doi : 10.1038 / nature08704 . PMC 3173857 . PMID 20090680 .
- ^ O'Keefe, DJ (1971). "El hipocampo como mapa espacial. Evidencia preliminar de la actividad de la unidad en la rata que se mueve libremente". Investigación del cerebro . 34 (1): 171-175. doi : 10.1016 / 0006-8993 (71) 90358-1 . PMID 5124915 .
- ^ O'Keefe, J .; Nadel, L. (1978). El hipocampo como mapa cognitivo . Prensa de la Universidad de Oxford . Consultado el 5 de noviembre de 2009 .
- ^ Quirk, MR (1992). "Las propiedades de disparo posicional de las neuronas entorrinales medial: descripción y comparación con las células de lugar del hipocampo" . Revista de neurociencia . 12 (5): 1945–1963. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.12-05-01945.1992 . PMC 6575876 . PMID 1578279 .
- ^ Moser MB, Moser EI (1998). "Diferenciación funcional en el hipocampo". Hipocampo . 8 (6): 608-19. doi : 10.1002 / (SICI) 1098-1063 (1998) 8: 6 <608 :: AID-HIPO3> 3.0.CO; 2-7 . PMID 9882018 .
- ^ Maurer, AP; Vanrhoads, SR; Sutherland, GR; Lipa, P .; McNaughton, BL (2005). "Auto-movimiento y el origen de la escala espacial diferencial a lo largo del eje septo-temporal del hipocampo". Hipocampo . 15 (7): 841–852. doi : 10.1002 / hipo.20114 . PMID 16145692 . S2CID 7237113 .
- ^ Fyhn, M .; Molden, S .; Witter, diputado; Moser, EI; Moser, M. -B. (2004). "Representación espacial en la corteza entorrinal" . Ciencia . 305 (5688): 1258–1264. Código Bibliográfico : 2004Sci ... 305.1258F . doi : 10.1126 / science.1099901 . PMID 15333832 .
- ^ a b Sargolini, F .; Fyhn, M .; Hafting, T .; McNaughton, BL; Witter, diputado; Moser, M.-B .; Moser, IE (2006). "Representación conjuntiva de posición, dirección y velocidad en la corteza entorrinal" . Ciencia . 312 (5774): 758–762. Código Bibliográfico : 2006Sci ... 312..758S . doi : 10.1126 / science.1125572 . PMID 16675704 .
- ^ Brun, VH; Solstad, T .; Kjelstrup, KB; Fyhn, M .; Witter, diputado; Moser, EI; Moser, MB (2008). "Aumento progresivo en la escala de la cuadrícula de la corteza entorrinal medial dorsal a ventral" . Hipocampo . 18 (12): 1200-1212. doi : 10.1002 / hipo.20504 . PMID 19021257 .
- ^ Mathis, A .; Herz, AVM; Stemmler, MB (2012). "Códigos de población óptimos para el espacio: celdas de cuadrícula superan a las celdas de lugar" . Computación neuronal . 24 (9): 2280–2317. doi : 10.1162 / NECO_a_00319 . PMID 22594833 . S2CID 15755674 .
- ^ Muller, RU; Kubie, JL (1987). "Los efectos de los cambios en el medio ambiente sobre la activación espacial de las células de pico del complejo del hipocampo" . J Neurosci . 7 (7): 1951–68. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.07-07-01951.1987 . PMC 6568940 . PMID 3612226 .
- ^ Fyhn, M .; Hafting, T .; Treves, A .; Moser, MB; Moser, IE (2007). "Remapeo del hipocampo y realineación de la cuadrícula en la corteza entorrinal". Naturaleza . 446 (7132): 190-194. Código bibliográfico : 2007Natur.446..190F . doi : 10.1038 / nature05601 . PMID 17322902 . S2CID 4431307 .
- ^ Kovács KA (septiembre de 2020). "Recuerdos episódicos: ¿Cómo cooperan el hipocampo y los atractores del anillo entorrinal para crearlos?" . Fronteras en neurociencia de sistemas . 14 : 68. doi : 10.3389 / fnsys.2020.559186 . PMC 7511719 . PMID 33013334 .
- ^ Hafting, T .; Fyhn, M .; Bonnevie, T .; Moser, MB; Moser, IE (2008). "Precesión de fase independiente del hipocampo en células de rejilla entorrinal". Naturaleza . 453 (7199): 1248-1252. Código Bibliográfico : 2008Natur.453.1248H . doi : 10.1038 / nature06957 . PMID 18480753 . S2CID 597353 .
- ^ Samsonovich a, MAB (1997). "Ruta de integración y mapeo cognitivo en un modelo de red neuronal de atractor continuo" . Revista de neurociencia . 17 (15): 5900-5920. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.17-15-05900.1997 . PMC 6573219 . PMID 9221787 .
- ^ a b Burak, Y .; Fiete, IR; Sporns, O. (2009). Sporns, Olaf (ed.). "Integración de ruta precisa en modelos de redes de atractores continuos de celdas de red" . PLOS Biología Computacional . 5 (2): e1000291. arXiv : 0811.1826 . Código Bibliográfico : 2009PLSCB ... 5E0291B . doi : 10.1371 / journal.pcbi.1000291 . PMC 2632741 . PMID 19229307 .
- ^ Shrager, Y .; Kirwan, CB; Squire, LR (2008). "Base neuronal del mapa cognitivo: la integración de la ruta no requiere hipocampo o corteza entorrinal" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 105 (33): 12034–8. Código bibliográfico : 2008PNAS..10512034S . doi : 10.1073 / pnas.0805414105 . PMC 2575247 . PMID 18687893 .
- ^ Sreenivasan, S; Fiete, yo (2011). "Las celdas de cuadrícula generan un código de corrección de errores analógico para un cálculo neuronal singularmente preciso". Neurociencia de la naturaleza . 14 (10): 1330–7. doi : 10.1038 / nn.2901 . PMID 21909090 . S2CID 17158393 .
enlaces externos
- Grupo Mosers
- Película de una celda de cuadrícula