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El sueño es esencial para adaptarse en nuevos lugares de vacaciones
El sueño ayuda a los ratones a desarrollar mapas mentales coherentes de lugares, conectando neuronas débilmente espaciales a las células del lugar para mejorar la navegación.
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 tomar 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 en ratones realizada por los neurocientíficos del MIT en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria brinda evidencia fresca de cómo el cerebro crea mapas cognitivos coherentes de áreas completas, enfatizando el importante papel que juega el 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 del lugar” se activan consistentemente. Más valioso que tener marcadores para áreas individuales es tener una imagen mental de cómo todas encajan en una geografía continua en general. Aunque tales “mapas cognitivos” fueron postulados inicialmente en 1948, los neurocientíficos todavía desconocen cómo el cerebro los crea. Según un nuevo estudio publicado en Cell Reports en diciembre, la capacidad puede depender de cambios sutiles pero significativos en la actividad de las células que solo están débilmente sintonizadas con ubicaciones individuales pero mejoran la robustez y el refinamiento de la codificación de todo el espacio del hipocampo con el tiempo. Los estudios del estudio muestran que durante el sueño, estas células “débilmente espaciales” mejoran la actividad de la red neuronal en el hipocampo, vinculando varios lugares en un mapa cognitivo.
“El primer día, el cerebro no representa muy bien el espacio”, explica el autor principal Wei Guo, un científico de investigación en el laboratorio del autor principal 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 quinto día, crean un mapa. Para crear un mapa, todas estas neuronas deben funcionar juntas en un conjunto coordinado.
Los ratones mapean laberintos.
Para realizar 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 todos los días durante muchos días. Es importante destacar que no se ofrecieron recompensas especiales a los ratones para motivarlos a aprender algo. Solo deambulaban. Investigaciones anteriores han demostrado que los ratones naturalmente mostraban “aprendizaje latente” de áreas después de varios días de 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 parpadearan cuando se acumularan iones de calcio, lo que las hacía activas eléctricamente. Registraron los destellos de las neuronas tanto mientras los ratones estaban investigando activamente como cuando dormían. El laboratorio de Wilson descubrió que los animales “reproducen” sus aventuras anteriores mientras duermen, mejorando así sus memorias mediante el soñar con sus experiencias.
El análisis de las grabaciones reveló que la actividad de las células del lugar comenzó de inmediato y se mantuvo robusta y consistente durante varios días de investigación. Sin embargo, esta actividad por sí sola no puede explicar cómo crece el aprendizaje latente o un mapa cognitivo durante varios días. A diferencia de muchas otras investigaciones, que se centran principalmente en la actividad fuerte y evidente de las células del lugar, el estudio de Guo incluyó la actividad más sutil y enigmática de células que no estaban tan firmemente orientadas espacialmente.
Usando un nuevo enfoque conocido como “aprendizaje de variedades”, descubrió que muchas de las células “débilmente espaciales” conectaban progresivamente su actividad con patrones de actividad entre otras neuronas en la red, en lugar de ubicaciones. Los hallazgos de Guo revelaron que la red registró un mapa cognitivo del laberinto que se asemejaba más al área física real.
“Aunque 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 espaciales fuertes que codifican ubicaciones distintas, esta célula débilmente espacial puede servir como puente entre estas ubicaciones.”
En otras palabras, es probable que la actividad de las células débilmente espaciales conecte los diversos lugares representados por las células del lugar para formar un mapa mental.
La necesidad del sueño
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 recuerdos. Por lo tanto, Guo y el equipo de 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 novedoso dos veces en el mismo día, con un descanso de tres horas entre medias. Algunos ratones se les permitió dormir, mientras que a otros no. Los que lo hicieron mostraron un considerable refinamiento de su mapa mental, pero los que no se les permitió dormir mostraron poca mejoría. No solo mejoró la codificación de la red del mapa, sino que las mediciones de la sintonización de las células individuales revelaron que el sueño ayudó a que las células se sintonizaran más tanto a las ubicaciones como a los 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 literalmente exactos de los laberintos. En cambio, se asemejaban más a esquemas. Su importancia radica en el hecho de que le dan al cerebro una topología que puede ser examinada cognitivamente en lugar de en 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, añadiendo significado a los mapas. Sin embargo, el estudio no incluyó ningún hito en los laberintos y no 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 afirma que las investigaciones futuras pueden examinar qué tipo de información están absorbiendo en la comprensión de los animales de su entorno. Parece que naturalmente percibimos los lugares en los que vivimos como algo más que simplemente colecciones de ubicaciones distintas.
“En este estudio nos enfocamos 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 neurales significativos a nivel de conjunto”, dijeron los autores del documento. “Esta forma de aprendizaje implícito y no supervisado constituye un aspecto crucial del aprendizaje humano e inteligencia, que merece investigaciones más exhaustivas.”
