Las células de dirección de la cabeza ( HD ) son neuronas que se encuentran en varias regiones cerebrales que aumentan sus tasas de disparo por encima de los niveles basales solo cuando la cabeza del animal apunta en una dirección específica. Se han descrito en ratas, [1] monos, [2] ratones, [3] chinchillas [4] y murciélagos, [5] pero se cree que son comunes a todos los mamíferos , quizás a todos los vertebrados [6] [7] y quizás incluso a algunos invertebrados, [8] y que subyacen al "sentido de la dirección". Cuando la cabeza del animal está orientada en la "dirección de disparo preferida" de la célula, estas neuronas disparan a un ritmo constante (es decir, no muestran adaptación ), pero el disparo disminuye de nuevo a las tasas basales a medida que la cabeza del animal se aleja de la dirección preferida (generalmente unos 45° de esta dirección). [9]
Las células HD se encuentran en muchas áreas del cerebro, incluidas las regiones corticales del postsubículo (también conocido como presubículo dorsal), la corteza retroesplenial [10] y la corteza entorinal [11] y las regiones subcorticales que incluyen el tálamo (los núcleos talámicos dorsal anterior [12] y dorsal lateral [13] ), el núcleo mamilar lateral [ 14] , el núcleo tegmental dorsal y el cuerpo estriado . Se cree que las células de dirección de la cabeza corticales procesan información sobre el entorno, mientras que las subcorticales procesan información sobre los movimientos angulares de la cabeza. [15]
Una característica sorprendente de las células HD es que en la mayoría de las regiones cerebrales mantienen las mismas direcciones de disparo preferidas relativas, incluso si el animal se traslada a una habitación diferente o si se mueven los puntos de referencia. Esto ha sugerido que las células interactúan de modo de mantener una señal de dirección estable unitaria (véase "Modelos teóricos"). Sin embargo, recientemente se ha descubierto una subpoblación de neuronas HD en la parte disgranular de la corteza retroesplenial que puede operar independientemente del resto de la red y que parece responder mejor a las señales ambientales. [16]
El sistema está relacionado con el sistema de células de lugar , ubicado en el hipocampo , [17] que es en su mayoría invariante en cuanto a la orientación y específico de la ubicación, mientras que las células HD son en su mayoría específicas en cuanto a la orientación y invariantes en cuanto a la ubicación. Sin embargo, las células HD no requieren un hipocampo funcional para expresar su especificidad de dirección de la cabeza. [18] Dependen del sistema vestibular , [19] y la activación es independiente de la posición del cuerpo del animal en relación con su cabeza. [20]
Algunas células HD muestran un comportamiento anticipatorio: [21] se ha descubierto que la mejor coincidencia entre la actividad HD y la dirección real de la cabeza del animal se produce hasta 95 ms antes. Es decir, la actividad de las células de dirección de la cabeza predice, con 95 ms de antelación, cuál será la dirección de la cabeza del animal. Esto posiblemente refleja las entradas del sistema motor ("copia de eferencia motora") que preparan la red para un giro inminente de la cabeza.
Las células HD siguen disparando de manera organizada durante el sueño, como si los animales estuvieran despiertos. [22] Sin embargo, en lugar de apuntar siempre hacia la misma dirección (los animales están dormidos y, por lo tanto, inmóviles), la "aguja de la brújula" neuronal se mueve constantemente. En particular, durante el sueño de movimientos oculares rápidos , un estado cerebral rico en actividad onírica en los humanos y cuya actividad eléctrica es prácticamente indistinguible de la del cerebro despierto, esta señal direccional se mueve como si el animal estuviera despierto: es decir, las neuronas HD se activan secuencialmente y las neuronas individuales que representan una dirección común durante la vigilia siguen activas, o en silencio, al mismo tiempo.
La red HD hace uso de entradas inerciales y otras relacionadas con el movimiento, y por lo tanto continúa operando incluso en ausencia de luz. Estas propiedades inerciales dependen del sistema vestibular , especialmente los canales semicirculares del oído interno , que señalan las rotaciones de la cabeza. [23] El sistema HD integra la salida vestibular para mantener una señal que refleje la rotación acumulativa. Sin embargo, la integración es menos que perfecta, especialmente para rotaciones lentas de la cabeza. Si un animal se coloca en una plataforma aislada y se gira lentamente en la oscuridad, la alineación del sistema HD generalmente cambia un poco para cada rotación. Si un animal explora un entorno oscuro sin señales direccionales, la alineación HD tiende a desviarse lenta y aleatoriamente con el tiempo.
Uno de los aspectos más interesantes de las células de dirección de la cabeza es que su activación no está totalmente determinada por las características sensoriales del entorno. Cuando un animal entra en un entorno nuevo por primera vez, la alineación del sistema de dirección de la cabeza es arbitraria. Durante los primeros minutos de exploración, el animal aprende a asociar los puntos de referencia del entorno con las direcciones. Cuando el animal vuelve al mismo entorno en un momento posterior, si el sistema de dirección de la cabeza está desalineado, las asociaciones aprendidas sirven para realinearlo.
Es posible alterar temporalmente la alineación del sistema HD, por ejemplo apagando las luces durante unos minutos. Incluso en la oscuridad, el sistema HD sigue funcionando, pero su alineación con el entorno puede desviarse gradualmente. Cuando se vuelven a encender las luces y el animal puede ver de nuevo los puntos de referencia, el sistema HD suele volver rápidamente a la alineación normal. Ocasionalmente, la realineación se retrasa: las células HD pueden mantener una alineación anormal durante unos minutos, pero luego vuelven a la normalidad de forma abrupta. En consonancia con la deriva en la oscuridad, las células HD no son sensibles a la polaridad de los campos geomagnéticos. [24]
Si este tipo de experimentos de desalineación se realizan con demasiada frecuencia, el sistema puede dejar de funcionar. Si se desorienta repetidamente a un animal y luego se lo coloca en un entorno durante unos minutos cada vez, los puntos de referencia pierden gradualmente su capacidad de controlar el sistema HD y, finalmente, el sistema entra en un estado en el que muestra una alineación diferente y aleatoria en cada prueba [ cita requerida ] .
Hay evidencia de que el control visual de las células HD está mediado por el postsubículo. Las lesiones del postsubículo no eliminan las células HD talámicas, pero a menudo hacen que la direccionalidad se desvíe con el tiempo, incluso cuando hay muchas señales visuales. Por lo tanto, las células HD en animales con lesiones postsubículo [ verificar ortografía ] se comportan como células HD en animales intactos en ausencia de luz. Además, solo una minoría de las células registradas en el postsubículo son células HD, y muchas de las otras muestran respuestas visuales. En entornos familiares, las células HD muestran direcciones preferidas consistentes a lo largo del tiempo siempre que haya una señal polarizadora de algún tipo que permita identificar las direcciones (en un cilindro con paredes sin marcar y sin señales en la distancia, las direcciones preferidas pueden variar con el tiempo) [ cita requerida ] .
Las propiedades del sistema de dirección de la cabeza -en particular su persistencia en la oscuridad, y también la relación constante de las direcciones de disparo entre las células independientemente de los cambios ambientales- sugirieron a los primeros teóricos la noción aún aceptada de que las células podrían estar organizadas en forma de un atractor de anillo, incluidos los modelos propuestos simultáneamente por Zhang [25] y por Redish y Touretzky [26] . En estos modelos, que son un tipo de red de atractores con pares de células que representan direcciones cercanas que están más fuertemente acopladas que pares de células que representan orientaciones distantes. Con la inhibición global, estas interacciones hacen que la actividad se estabilice, de modo que una representación de una única orientación es más estable que los estados que representan múltiples orientaciones incoherentes. Por lo tanto, estas células pueden conceptualizarse como formando un anillo imaginario, con cada célula excitando células que codifican para su propia dirección o direcciones vecinas, y suprimiendo células que codifican para otras direcciones. Una idea clave proporcionada por estos modelos fue que la topología de la selectividad de la orientación (el anillo) provenía de conexiones internas, mientras que las señales externas estaban asociadas con esas representaciones internas. Por lo tanto, las células de dirección de la cabeza, al igual que las células de lugar , no eran simples respuestas sensoriales. En estos modelos y sus versiones posteriores, la información sobre los cambios en la orientación del animal proporcionada por las señales de movimiento vestibular y visual se proporcionaba mediante conexiones desviadas, mientras que la información de las señales distales se proporcionaba mediante conexiones de entrada aprendidas. [27] Recientemente se informó de evidencia directa de tal organización en los insectos: [28] en los mamíferos se supone que el "anillo" está distribuido y no tiene una forma anatómica geométrica. Si bien falta evidencia anatómica directa de tales interconexiones excitatorias entre las células de dirección de la cabeza, se han confirmado varias predicciones de los modelos, como la forma en que las curvas de ajuste cambiarían durante las rotaciones hacia la izquierda y la derecha, [27] representaciones autocoherentes durante el sueño, [29] y cambios durante la deriva y la reorientación. [30]
Song y Wang [31] también propusieron un modelo alternativo en el que se podría implementar el mismo mecanismo atractor con interconexiones inhibitorias. También se propusieron matrices de conexión más complejas que pueden producir sistemas matemáticamente equivalentes [32] , pero faltan pruebas de estos modelos alternativos.
Las células de dirección de la cabeza fueron descubiertas por James B. Ranck, Jr. , en el presubículo dorsal de la rata, una estructura que se encuentra cerca del hipocampo en la superficie dorsocaudal del cerebro. Ranck informó sobre su descubrimiento en un resumen de la Society for Neuroscience en 1984. [33] Jeffrey Taube, un investigador postdoctoral que trabajaba en el laboratorio de Ranck, hizo de estas células el tema de su investigación. Taube, Ranck y Bob Muller resumieron sus hallazgos en un par de artículos en el Journal of Neuroscience en 1990. [34] [35] Estos artículos seminales sirvieron como base para todo el trabajo que se ha realizado posteriormente. Taube, después de aceptar un puesto en el Dartmouth College, ha dedicado su carrera al estudio de las células de dirección de la cabeza y ha sido responsable de varios de los descubrimientos más importantes, así como de escribir varios artículos de revisión clave.
El postsubículo tiene numerosas conexiones anatómicas. Rastrear estas conexiones condujo al descubrimiento de células de dirección de la cabeza en otras partes del cerebro. En 1993, Mizumori y Williams informaron haber encontrado células HD en una pequeña región del tálamo de la rata llamada núcleo dorsal lateral . [36] Dos años más tarde, Taube encontró células HD en los núcleos talámicos anteriores cercanos . [37] Chen et al. encontraron cantidades limitadas de células HD en partes posteriores del neocórtex. [38] La observación en 1998 de células HD en el área mamilar lateral del hipotálamo completó un patrón interesante: el parahipocampo, los núcleos mamilares, el tálamo anterior y la corteza retroesplenial son todos elementos de un bucle neuronal llamado circuito de Papez , propuesto por Walter Papez en 1939 como el sustrato neuronal de la emoción. También se han observado cantidades limitadas de células HD robustas en el hipocampo y el estriado dorsal. Recientemente, se han encontrado cantidades sustanciales de células HD en la corteza entorinal medial, entremezcladas con células en cuadrícula ajustadas espacialmente .
Las notables propiedades de las células HD, en particular su simplicidad conceptual y su capacidad de mantener la actividad cuando se eliminaban o perturbaban las señales visuales, despertaron un considerable interés por parte de los neurocientíficos teóricos. Se desarrollaron varios modelos matemáticos que diferían en detalles pero tenían en común la dependencia de la retroalimentación mutuamente excitatoria para mantener los patrones de actividad: un tipo de memoria de trabajo , por así decirlo. [39]
Las células HD se han descrito en muchas especies animales diferentes, incluidas ratas, ratones, primates no humanos [40] y murciélagos. [41] En los murciélagos, el sistema HD es tridimensional, y no solo a lo largo del plano horizontal como en los roedores. Una red neuronal similar a la HD también está presente en la drosophila, en la que las células HD están dispuestas anatómicamente a lo largo de un anillo.