El sueño es esencial para adaptarse en nuevos destinos de vacaciones
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El sueño ayuda a los ratones a desarrollar mapas mentales coherentes de lugares, conectando débilmente neuronas espaciales con células de lugar para mejorar la navegación.
El primer día de tus vacaciones en una ciudad nueva, tus excursiones te llevan a varios lugares únicos. Si bien las memorias de estos lugares (como un hermoso jardín en una tranquila calle lateral) son instantáneamente memorables, puede tomar días antes de tener 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 neurocientíficos del MIT en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria brinda nuevas pruebas sobre cómo el cerebro crea mapas cognitivos coherentes de áreas completas, destacando el importante papel del sueño en el proceso.
Desde hace décadas, los científicos saben que el cerebro utiliza neuronas en una región conocida como el hipocampo para recordar lugares específicos. Cuando un animal se encuentra en el área que una neurona está programada para recordar, las llamadas “células de lugar” se activan de manera consistente. Más valioso que tener marcadores para áreas individuales es tener una imagen mental de cómo todas encajan juntas en una geografía global continua. Aunque estos “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 células que están débilmente sintonizadas con ubicaciones individuales pero mejoran la robustez y la refinación de la codificación del hipocampo de todo el espacio 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, conectando diferentes 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, profesor Sherman Fairchild del Instituto Picower y los departamentos de Biología y Ciencias del Cerebro y la Cognición 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.
Ratones mapean laberintos.
Para realizar el estudio, Guo y Wilson, junto con los 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 animarlos a aprender algo. Solo vagaban. Investigaciones anteriores han demostrado que los ratones naturalmente mostraron “aprendizaje latente” de áreas después de varios días de experiencias sin recompensas.
Para comprender mejor cómo ocurre el aprendizaje latente, Guo y sus colegas observaron visualmente cientos de neuronas en la sección CA1 del hipocampo programando las células para que parpadearan cuando se acumularan iones de calcio, haciéndolas eléctricamente activas. Registraron los destellos de las neuronas tanto mientras los ratones estaban investigando activamente como cuando estaban dormidos. El laboratorio de Wilson descubrió que los animales “reproducen” sus aventuras anteriores mientras duermen, reforzando así sus recuerdos al soñar con sus experiencias.
El análisis de las grabaciones reveló que la actividad de las células de lugar comenzó inmediatamente y se mantuvo robusta y consistente a lo largo de varios días de investigación. Sin embargo, esta actividad por sí sola no puede explicar cómo el aprendizaje latente o un mapa cognitivo crece a lo largo de 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 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 patrones de actividad entre otras neuronas en la red, en lugar de lugares. 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 en 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 un puente entre estas ubicaciones”.
En otras palabras, la actividad de las células débilmente espaciales probablemente conecta los diversos lugares representados por las células de lugar para formar un mapa mental.
La necesidad de 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 los recuerdos. Por lo tanto, el equipo de Guo y Wilson se propuso 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 a algunos ratones explorar un laberinto novel dos veces en el mismo día, con un descanso de tres horas entre medias. Algunos de los ratones pudieron dormir, mientras que otros no. Los que lo hicieron exhibieron un considerable refinamiento de su mapa mental, pero aquellos a quienes no se les permitió dormir mostraron poco mejoramiento. No solo mejoró la codificación de la red del mapa, sino que las medidas de ajuste celular individual revelaron que el sueño ayudó a que las células se sintonizaran más con las ubicaciones y 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 literales y precisos de los laberintos. En cambio, se parecían más a esquemas. Su importancia radica en el hecho de que brindan al cerebro una topología que puede ser examinada cognitivamente en lugar de en el espacio real. Por ejemplo, una vez que has 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 ningún hito 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 afirma que futuras investigaciones pueden examinar qué tipo de información están absorbiendo en la comprensión de los animales de su entorno. Al parecer, percibimos naturalmente los lugares donde vivimos como algo más que colecciones de ubicaciones distintas.
“En este estudio nos centramos en animales que se comportan naturalmente y demostramos que durante el comportamiento exploratorio libre y el sueño posterior, en ausencia de refuerzo, todavía ocurren cambios neurales plásticos 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”.
Es así como el sueño juega un papel crucial en la adaptación a nuevos destinos de vacaciones y en la formación de mapas cognitivos que nos permiten recordar y navegar por lugares desconocidos.
