Una célula de rejilla es un tipo de neurona dentro de la corteza entorrinal que se activa 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 células 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 de 2014 junto con John O'Keefe por sus descubrimientos de las células que constituyen un sistema de posicionamiento en el cerebro. La disposición de los campos de tiro 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 red 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 esa 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 se examina de la misma manera una célula de lugar del hipocampo de rata, entonces las marcas frecuentemente sólo formarán un grupo (un "campo de lugar") en un entorno dado, e incluso cuando se ven múltiples grupos, no hay ningún grupo. Perceptible regularidad en su disposición.
En 1971, John O'Keefe y Jonathon Dostrovsky informaron del descubrimiento de células de lugar en el hipocampo de la rata , células que disparan potenciales de acción cuando un animal pasa a través de una pequeña región específica del espacio, que se denomina 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 llamado The Hippocampus as a Cognitive Map (frase que también apareció en el título del artículo de 1971) [8] : el libro argumentaba que la red neuronal del hipocampo crea instancias de mapas cognitivos según la hipótesis del psicólogo Edward C. Tolman . Esta teoría despertó un gran interés y motivó cientos de estudios experimentales destinados a aclarar el papel del hipocampo en la memoria espacial y la navegación espacial.
Debido a que la corteza entorrinal proporciona, con diferencia, la mayor información al hipocampo, era claramente importante comprender las propiedades de activación espacial de las neuronas entorrinales. Los primeros estudios, como Quirk et al. (1992), describieron que las neuronas de la corteza entorrinal tienen campos de ubicación relativamente grandes y difusos. [9] Pero 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 franja de tejido que recorre el borde posterior del cerebro de la rata desde el lado ventral al 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, 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] Pero todos los estudios de la actividad espacial entorrinal antes de 2004 habían utilizado 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 la activación 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 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.
La siguiente serie de experimentos, de la que se informó en 2005, utilizó un entorno más amplio, lo que llevó al reconocimiento de que las células en realidad se disparaban siguiendo un patrón de cuadrícula hexagonal. [1] El estudio mostró que las células en niveles similares de MEC dorsal a ventral tenían un espaciado y una orientación de la cuadrícula similares, pero que la fase de la cuadrícula (el desplazamiento de los vértices de la cuadrícula con respecto a los ejes x e y) parecía ser distribuidos aleatoriamente entre las celdas. El patrón de disparo periódico se expresó independientemente de la configuración de los puntos de referencia, tanto en la oscuridad como 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 células de la cuadrícula expresaban una ruta dependiente de la integración. Cálculo dinámico de la ubicación del animal.
Por su descubrimiento de las células reticulares, May-Britt Moser y Edvard Moser recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2014, junto con John O'Keefe.
Las células de rejilla son neuronas que se activan cuando un animal que se mueve libremente atraviesa un conjunto de pequeñas regiones (campos de disparo) que son aproximadamente iguales en tamaño y están dispuestas en una matriz triangular periódica que cubre todo el entorno disponible. [1] Se han encontrado células con este patrón de activación 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 por igual independientemente de la dirección en la que un animal atraviesa una ubicación de cuadrícula. Las células de rejilla de capas más profundas se entremezclan con células conjuntivas y células de dirección de la cabeza (es decir, en las capas III, V y VI hay células con un patrón similar a una rejilla que se activan sólo 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, celdas registradas desde el mismo electrodo) generalmente muestran el mismo espaciado y orientación de la cuadrícula, pero sus vértices de la cuadrícula están desplazados entre sí mediante desplazamientos aparentemente aleatorios. Pero las células registradas a partir de electrodos separados a una distancia entre sí suelen mostrar diferentes espaciamientos de rejilla. Las células ubicadas más ventralmente (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 espacio entre los vértices de la cuadrícula. [1] El rango total de espaciado de las rejillas no está bien establecido: el informe inicial describió un rango aproximadamente doble de espaciado de las rejillas (de 39 cm a 73 cm) en la parte más dorsal (25% superior) del MEC, [1] pero Hay indicios de escalas de cuadrícula considerablemente más grandes en las zonas más ventrales. Brun et al. (2008) registraron celdas de cuadrícula de múltiples niveles en ratas que corrían a lo largo de una pista de 18 metros y descubrieron que el espacio de la cuadrícula se expandía desde aproximadamente 25 cm en sus sitios más dorsales 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 tales representaciones a múltiples escalas son información teóricamente deseable. [15]
La actividad de las celdas de la cuadrícula no requiere información visual, ya que los patrones de la cuadrícula permanecen sin cambios cuando se apagan todas las luces de un entorno. [1] Pero cuando hay señales visuales presentes, ejercen un fuerte control sobre la alineación de las cuadrículas: al girar una tarjeta de referencia en la pared de un cilindro, los patrones de las cuadrículas giran en la misma cantidad. [1] Los patrones de cuadrícula aparecen en la primera entrada de un animal a un entorno nuevo y luego generalmente permanecen estables. [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]
Cuando se traslada una rata a un entorno diferente, los patrones de actividad espacial de las células de lugar del hipocampo suelen mostrar una "reasignación completa" , es decir, el patrón de los campos de lugar se reorganiza de una manera que no guarda 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 del campo de lugar puede mostrar un menor grado de cambio, lo que se conoce como "reasignación de velocidad" , en el que muchas células alteran sus velocidades de activación pero la mayoría de las células conservan coloque los campos en las mismas ubicaciones que antes. Esto se examinó utilizando registros simultáneos de las células del hipocampo y del entorrinal, y se descubrió que en situaciones en las que el hipocampo muestra una reasignación de frecuencia, las células de la cuadrícula muestran patrones de activación inalterados, mientras que cuando el hipocampo muestra una reasignación completa, los patrones de activación de las células de la cuadrícula muestran cambios y rotaciones impredecibles. [17]
La actividad neuronal en casi todas las partes del sistema del hipocampo 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 septal medial , el controlador central de theta. Las células de la cuadrícula, al igual que las células del lugar del hipocampo, muestran una fuerte modulación theta. [1] Las células de la cuadrícula de la capa II del MEC también se parecen a las células del lugar del hipocampo en el sentido de que muestran precesión de fase , es decir, su actividad de pico avanza desde las fases tardías a las tempranas del ciclo theta a medida que un animal pasa a través de un vértice de la cuadrícula. Un modelo reciente de actividad de células de rejilla explicó esta precesión de fase asumiendo la presencia de una red de atractores unidimensionales compuesta de células estrelladas. [18] La mayoría de las células de la red de la capa III no precesan, pero su actividad de pico se limita en gran medida a la mitad del ciclo theta. La precesión de fase de las células de la red no se deriva del hipocampo, porque continúa apareciendo en animales cuyo hipocampo ha sido inactivado por un agonista de GABA. [19]
Muchas especies de mamíferos pueden realizar un seguimiento de la ubicación espacial incluso en ausencia de señales visuales, auditivas, olfativas o táctiles, mediante la integración de sus movimientos; la capacidad de hacer esto se conoce en la literatura como integración de trayectorias . 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 del 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 cuestión sigue sin resolverse, ya que en los seres humanos la corteza entorrinal no parece ser necesaria para la integración de vías. [22] Burak y Fiete (2009) demostraron que una simulación computacional del sistema de celdas de la red era capaz de realizar la integración de rutas con un alto nivel de precisión. [21] Sin embargo, trabajos teóricos más recientes han 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 y cols. (2005) [1] sugirieron que se calcula un código de lugar en la corteza entorrinal y se introduce en el hipocampo , lo que puede generar las asociaciones entre el lugar y los eventos que se necesitan para la formación de recuerdos.
A diferencia de una celda 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 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.
