La reproducción del hipocampo es un fenómeno observado en ratas , ratones , [1] gatos , conejos , [2] pájaros cantores [3] y monos . [4] Durante el sueño o el descanso despierto, la repetición se refiere a la reaparición de una secuencia de activaciones celulares que también ocurrieron durante la actividad, pero la repetición tiene una escala de tiempo mucho más rápida. Puede ser en el mismo orden o al revés. También se encontraron casos en los que ocurre una secuencia de activaciones antes de la actividad real, pero sigue siendo la misma secuencia. A esto se le llama juego previo .
El fenómeno se ha observado principalmente en el hipocampo , una región del cerebro asociada con la memoria y la navegación espacial . En concreto, las células que presentan este comportamiento son células de lugar , caracterizadas por incrementar de forma fiable su actividad cuando el animal se encuentra en una determinada ubicación en el espacio. Durante la navegación, las células del lugar disparan en una secuencia de acuerdo con la trayectoria del animal. En una instancia de repetición, las células se activan como en respuesta a la misma ruta espacial, pero a un ritmo mucho más rápido de lo que el animal realmente se movió.
Fondo
La actividad de las células de lugar ya estaba bien establecida cuando el primer estudio exploró este fenómeno en 1989. [5] Mostraron que la actividad neuronal de las células de un solo lugar durante el sueño se parecía a la actividad durante el estado de vigilia. Esta actividad fue mayor que la de otras células y este estudio fue solo el primer paso hacia la comprensión de la repetición. Estudios posteriores mostraron que grandes grupos de células también demostraron este tipo de actividad aumentada durante el sueño. Además, se descubrió que el orden de actividad de las células del lugar también se replicaba durante el sueño. [6] Se demostró que las secuencias de disparo de tres o más neuronas observadas en el hipocampo durante la locomoción se repitieron selectivamente durante el sueño de onda lenta subsiguiente más probable que durante el sueño anterior, y la reproducción de la secuencia se comprimió durante las oscilaciones de alta frecuencia . [7] Estas oscilaciones de campo de alta frecuencia llamadas ondas se observaron en el estado de sueño y luego se demostró que desempeñan un papel causal en la consolidación de la memoria . [8] [9]
El siguiente paso fue el descubrimiento de la repetición durante el estado despierto. En 1999, diez años después del descubrimiento inicial, también se demostró que las grabaciones neuronales en estado despierto tenían actividad de repetición. [10] Es considerablemente más difícil detectar esta actividad en el estado despierto y se han utilizado varios métodos, incluida la decodificación bayesiana, para cuantificar los eventos de repetición que ocurren durante las ondas de onda corta. [11] Los avances recientes incluyen el descubrimiento de que la reproducción puede ocurrir al revés [12] y que también se ha encontrado que ocurre en diferentes entornos. [13] El papel de la reproducción en la consolidación de la memoria en estas diferentes condiciones y entornos aún se está explorando y varias teorías intentan responder a esta pregunta.
Ubicación y estado de comportamiento
La repetición puede ocurrir en diferentes condiciones de comportamiento, fisiológicas y ambientales. La primera distinción entre los estados despierto y dormido puede representar diferentes roles en la consolidación de la memoria. En el estado de reposo, los eventos de ondulación y la actividad de la célula de lugar similar a la de la actividad en el entorno definen los eventos de repetición. En el estado de sueño, también hay una distinción entre REM (movimiento ocular rápido) y SWS (sueño de ondas lentas) que tiene implicaciones para los eventos de repetición. [14] [15] Durante SWS, las celdas de lugar se disparan en un orden secuencial que indica la repetición y posiblemente indican la consolidación de la memoria. Sin embargo, durante el sueño REM, donde los sueños ocurren en humanos, también ocurrieron eventos de repetición, lo que sugiere un posible papel de las células de lugar en los sueños.
En estado despierto ocurre la misma actividad, sin embargo es más difícil de detectar y el animal debe estar en estado de reposo. Por último, hay muchos entornos para reproducir eventos en el animal despierto. La longitud de la pista puede ser corta o larga y aún puede reproducirse mediante una población de celdas de lugar. [16] Además, la reproducción de un solo entorno puede ocurrir cuando el animal está en ese entorno o en diferentes entornos. [17] [18] Esto puede mostrar que la consolidación de la memoria es un proceso persistente que puede ocurrir en varios tipos diferentes de entornos y condiciones de comportamiento. La solidez de los eventos de reproducción indica la importancia de este proceso.
Preplay
Como se mencionó anteriormente, la activación secuencial de las células del lugar del hipocampo de acuerdo con sus campos de lugar puede ocurrir durante los períodos de descanso antes de que el animal esté atravesando el camino activado, incluso si el animal nunca lo ha experimentado antes. [19] Esto sugiere que la activación del hipocampo durante el reposo puede tener una función no solo en la consolidación y recuperación de la memoria, sino también en la planificación : contribuye a la organización de la red para mejorar la codificación de eventos futuros.
Señal sensorial para la activación
Los estímulos sensoriales pueden inducir eventos de repetición o mejorar la repetición: [20] en el estado despierto, la repetición a menudo comienza desde la ubicación actual y continúa hacia adelante o hacia atrás en el tiempo, y es más probable que las ubicaciones cercanas sean los campos de neuronas que exhiben la reproducción que lugares lejanos. Esto es como la recuperación de recuerdos con claves , donde una entrada sensorial desencadena la recuperación de recuerdos similares o relevantes. La señal puede incluso desencadenar una repetición en un entorno diferente, si las celdas del lugar indicadas representan una ubicación en un entorno diferente además de la ubicación actual del animal.
Interacción con la corteza
Varios estudios están comenzando a comprender que la repetición no solo puede ocurrir en el hipocampo . Después del aprendizaje, se produjeron eventos de repetición similares tanto en el tálamo como en la corteza . [21] Además, la corteza visual mostró actividad de la población que estaba coordinada en regiones de tiempo discretas y que ocurrió simultáneamente con la actividad en el hipocampo. [22] La reactivación concurrente en el hipocampo y la corteza puede demostrar que la consolidación de la memoria requiere entrada / salida cortical para mantener la memoria. Esta hipótesis encaja bien con la idea de que la corteza desempeña un papel integral en la recuperación de la memoria después de que se produce la consolidación. Por lo tanto, la reproducción del hipocampo puede desempeñar el papel de transferencia de información entre el hipocampo y la corteza, pero esta idea requiere una mayor verificación.
Función en la memoria
Se ha demostrado que la repetición del hipocampo en estado despierto [23] se correlaciona con el rendimiento en las tareas de navegación después del evento de repetición. Esto sugiere que la reproducción juega un papel en la consolidación de los recuerdos relacionados con la ubicación espacial, [24] aunque aún no se ha demostrado una relación causal clara entre la reproducción y la consolidación de la memoria. Además, la repetición también parece estar relacionada con la recuperación de la memoria : se activa mediante señales que también desencadenan la recuperación de la memoria, y en situaciones que lo requieren, como planificar una trayectoria basada en las consecuencias de elecciones pasadas. Esta relación también es solo correlativa, pero hay estudios que muestran evidencia de la necesidad de la repetición en la recuperación exitosa de la memoria. [25]
Es probable que la repetición participe tanto en la consolidación de los recuerdos como en la construcción de un mapa cognitivo . También es probable que la reproducción desempeñe un papel importante en la generación y el mantenimiento de un mapa de valores, que es una variación propuesta del mapa cognitivo en el que los recuerdos se refuerzan de acuerdo con sus valores. [26]
En estudios realizados para monitorear los patrones de reproducción del hipocampo de los eventos que suceden en la mente de las ratas, se descubrió que dependen en gran medida de los recuerdos reproducibles a largo plazo para su vida diaria. Para determinar si los animales realmente podían retener los recuerdos, los científicos establecieron una serie de eventos episódicos (es decir, una serie de túneles, un laberinto, una pista llena de giros y vueltas) para visualizar la actividad neuronal a medida que la rata completa su ronda alrededor del nuevo alrededores. El fármaco activador quimiogenético clozapina N-óxido (CNO), pero no el vehículo, altera de forma reversible la reproducción de la memoria episódica en ratas previamente inyectadas bilateralmente en el hipocampo con un vector viral recombinante que contiene un receptor de diseño inhibidor activado exclusivamente por un fármaco de diseño (DREADD; AAV8- hSyn-hM4Di-mCherry). Por el contrario, dos evaluaciones de la memoria no episódica no se ven afectadas por CNO, lo que muestra la selectividad de este deterioro dependiente del hipocampo. [27]
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