Las células de dirección de la cabeza ( HD ) son neuronas que se encuentran en varias regiones del cerebro y que aumentan su velocidad de activación por encima de los niveles iniciales sólo 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 tal vez incluso algunos invertebrados, [8] y para subyacer en el "sentido de orientación". Cuando la cabeza del animal mira en la "dirección de disparo preferida" de la célula, estas neuronas se disparan a un ritmo constante (es decir, no muestran adaptación ), pero el disparo disminuye hasta volver a los ritmos iniciales a medida que la cabeza del animal se aleja de la dirección preferida (normalmente aproximadamente a 45° de esta dirección). [9]
Las células de la EH 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 entorrinal , [11] y las regiones subcorticales, incluido el tálamo (la parte dorsal anterior [12] y el núcleo talámico dorsal lateral [13] ), el núcleo mamilar lateral , [14] el núcleo tegmental dorsal y el cuerpo estriado . Se cree que las células corticales que dirigen la cabeza 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 de la EH es que en la mayoría de las regiones del cerebro mantienen las mismas direcciones de disparo relativamente preferidas, incluso si el animal se traslada a una habitación diferente o si se mueven puntos de referencia. Esto ha sugerido que las células interactúan para mantener una señal de rumbo unitaria estable (ver "Modelos teóricos"). Sin embargo, recientemente se ha encontrado una subpoblación de neuronas de EH en la parte disgranular de la corteza retroesplenial que puede funcionar independientemente del resto de la red y que parece responder mejor a las señales ambientales. [dieciséis]
El sistema está relacionado con el sistema de células de lugar , ubicado en el hipocampo , [17] que en su mayoría es invariante en orientación y específico de ubicación, mientras que las células HD son en su mayoría específicas de orientación e invariantes en ubicación. Sin embargo, las células de la EH no requieren un hipocampo funcional para expresar su especificidad de dirección de la cabeza. [18] Dependen del sistema vestibular , [19] y el disparo es independiente de la posición del cuerpo del animal con respecto a su cabeza. [20]
Algunas células de la EH exhiben un comportamiento anticipatorio: [21] se ha descubierto que la mejor coincidencia entre la actividad de la EH y la dirección real de la cabeza del animal es de hasta 95 ms en el futuro. 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 refleje entradas del sistema motor ("copia de eferencia del motor") que preparan la red para un inminente giro de cabeza.
Las células HD continúan disparándose de manera organizada durante el sueño, como si los animales estuvieran despiertos. [22] Sin embargo, en lugar de apuntar siempre en 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 con movimientos oculares rápidos , un estado cerebral rico en actividad onírica en humanos y cuya actividad eléctrica es prácticamente indistinguible de la del cerebro en vigilia, 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 silenciosas al mismo tiempo.
La red HD utiliza inercia y otras entradas relacionadas con el movimiento y, por lo tanto, continúa funcionando incluso en ausencia de luz. Estas propiedades de inercia dependen del sistema vestibular , especialmente de 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 refleja la rotación acumulativa. Sin embargo, la integración no es perfecta, especialmente para rotaciones lentas de la cabeza. Si se coloca un animal en una plataforma aislada y se gira lentamente en la oscuridad, la alineación del sistema HD generalmente cambia un poco con 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 direcciones. Cuando el animal regresa al mismo entorno más adelante, 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 continúa funcionando, pero su alineación con el entorno puede variar gradualmente. Cuando las luces se vuelven a encender y el animal puede volver a ver puntos de referencia, el sistema HD normalmente vuelve rápidamente a su alineación normal. En ocasiones, la realineación se retrasa: las células de la EH pueden mantener una alineación anormal durante unos minutos, pero luego regresan abruptamente. 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 fallar. Si un animal se desorienta repetidamente y luego se 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 imagen diferente y aleatoria. alineación en cada ensayo [ cita necesaria ] .
Existe evidencia de que el control visual de las células de la EH está mediado por el postsubículo. Las lesiones del postsubículo no eliminan las células talámicas de la EH, pero a menudo provocan que la direccionalidad cambie con el tiempo, incluso cuando hay muchas señales visuales. Por lo tanto, las células de EH en animales lesionados postsubiculum [ revise la ortografía ] se comportan como células de EH en animales intactos en ausencia de luz. Además, sólo una minoría de las células registradas en el postsubículo son células de EH y muchas de las demás 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 necesaria ] .
Las propiedades del sistema de dirección de la cabeza -particularmente su persistencia en la oscuridad, y también la relación constante de direcciones de disparo entre células independientemente de los cambios ambientales- sugirieron a los primeros teóricos la noción todavía aceptada de que las células podrían organizarse en forma de atractor de anillo, incluidos 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, se puede conceptualizar que estas células forman un anillo imaginario, en el que cada célula excita células que codifican sus propias direcciones o las vecinas, y suprime células que codifican otras direcciones. Una idea clave proporcionada por estos modelos fue que la topología de la selectividad de orientación (el anillo) provenía de conexiones internas, mientras que las señales externas estaban asociadas con esas representaciones internas. Por 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 fue proporcionada por conexiones fuera de desplazamiento, mientras que la información de las señales distales fue proporcionada por conexiones de entrada aprendidas. [27] Recientemente se ha informado de evidencia directa de tal organización en los insectos: [28] en los mamíferos se supone que el "anillo" está distribuido, y no una forma anatómica geométrica. Si bien falta evidencia anatómica directa de tales interconexiones excitadoras entre las células que dirigen la cabeza, se han confirmado varias predicciones de los modelos, como cómo cambiarían las curvas de sintonización durante las rotaciones izquierda y derecha, [27] representaciones autocoherentes durante el sueño, [29 ] y cambios durante la deriva y la reorientación. [30]
Song y Wang también propusieron un modelo alternativo, [31] en el que el mismo mecanismo atractor podría implementarse con interconexiones inhibidoras. También se han propuesto matrices de conexión más complejas que pueden producir sistemas matemáticamente equivalentes, [32] pero falta evidencia 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 Sociedad de Neurociencia en 1984. [33] Jeffrey Taube, un becario postdoctoral que trabaja 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 fundamentales sirvieron como base para todo el trabajo que se realizó posteriormente. Taube, después de ocupar un puesto en Dartmouth College, dedicó su carrera al estudio de las células de dirección de la cabeza y fue responsable de varios de los descubrimientos más importantes, además de escribir varios artículos de revisión clave.
El postsubículo tiene numerosas conexiones anatómicas. El rastreo de estas conexiones condujo al descubrimiento de células que dirigen la cabeza en otras partes del cerebro. En 1993, Mizumori y Williams informaron haber encontrado células de EH en una pequeña región del tálamo de la rata llamada núcleo dorsal lateral . [36] Dos años más tarde, Taube encontró células de EH en los núcleos talámicos anteriores cercanos . [37] Chen y cols. encontró un número limitado de células HD en las partes posteriores de la neocorteza. [38] La observación en 1998 de células de EH 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 neural llamado circuito de Papez , propuesto por Walter. Papez en 1939 como sustrato neuronal de la emoción. También se ha observado un número limitado de células HD robustas en el hipocampo y el cuerpo estriado dorsal. Recientemente, se ha encontrado un número sustancial de células de EH en la corteza entorrinal medial, entremezcladas con células de rejilla espacialmente sintonizadas .
Las notables propiedades de las células de la EH, en particular su simplicidad conceptual y su capacidad para mantener la activación cuando se eliminan o perturban las señales visuales, generaron un interés considerable por parte de los neurocientíficos teóricos. Se desarrollaron varios modelos matemáticos, que diferían en detalles pero tenían en común una dependencia de la retroalimentación mutuamente excitadora para sostener patrones de actividad: un tipo de memoria de trabajo , por así decirlo. [39]
Las células de EH 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 sólo a lo largo del plano horizontal como en los roedores. En la drosophila también está presente una red neuronal similar a la EH, en la que las células de la EH están dispuestas anatómicamente a lo largo de un anillo.