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RETROSPECTIVA
El hallazgo
del GPS cerebral
John O’Keefe y el matrimonio de científicos Moser desvelaron
las neuronas que nos orientan en el espacio. El descubrimiento
les comportó el premio Nobel de fisiología y medicina de 2014
J A N O S T E R K A M P
John O’Keefe (derecha) descubrió unas neuronas en el hipocampo, las neuronas de ubicación, que reco- nocen la estancia en un lugar concreto. El matrimonio formado por May-Britt y Edvard Moser (arriba) halló las neuronas de retícula en la corteza entorrinal; estas nos permiten saber el lugar en el que nos hallamos. La interacción entre ambos tipos de neuronas nos facilita la orientación espacial. DAVID BISHOP, UCL ( O’Keefe ); KAVLI INSTITUTE, CBM / CC-BY-SA-3. (Sr. y Sra. Moser )
H ace apenas dos años que John O’Keefe, May-Britt Moser y Edvard Moser recibieron el premio Nobel de fisiología y medicina por el descubri- miento de las «neuronas de ubicación» (place cells) y las «neuronas de retícula» (grid cells), respectivamente, pero sus hallazgos se remontan a mediados y finales del siglo pasado. En concreto, el neurocientífico británico-esta- dounidense O’Keefe, del Colegio Universitario de Londres, tuvo el valor a finales de los años sesenta de ensayar técnicas tradicionales de un modo original: retomó un método, por entonces poco utilizado, para vigilar, me- diante electrodos implantados, la actividad de neuronas aisladas del cerebro de animales vivos. A diferencia de otros científicos, no examinó la reacción de las neuronas a estímulos simples, sino que dejó que las ratas camparan a sus anchas por un pequeño laberinto. En general, estas se limitaban a ir de un lado para otro. Durante ese tiem- po, O’Keefe observó la actividad de las neuronas del hi- pocampo, una región alojada en la profundidad del ló- bulo temporal y que resulta esencial para el aprendizaje y la memoria. El ahora nóbel encontró neuronas que funcionaban de manera completamente distinta a las conocidas hasta
En síntesis:
Un navegador neuronal
1 John O’Keefe, May-Britt Moser y Edvard Moser ini- ciaron a mediados y finales del siglo ## sus investiga- ciones sobre los mecanismos neuronales que nos per- miten orientarnos en el espacio. En $%&' compartieron el Nobel por sus hallazgos. 2 La experimentación con ratas llevó a O’Keefe a des- cubrir las que dio en llamar neuronas de ubicación. Estas nos permiten saber el lugar en el que nos en- contramos. 3 El matrimonio Moser completó el hallazgo de O’Keefe con su investigación sobre las neuronas de retícula. Estas contribuyen a que elaboremos mapas mentales de los espacios. entonces. Como afirmó atónito en su día, cada una de estas neuronas representaba una posición determinada del animal en el laberinto. Al parecer, solo se excitaban cuando la rata se encontraba en un lugar preciso. Algo más tarde bautizó a esas neuronas como neuronas de ubicación, pues transmitían al animal el lugar en el que se hallaba en esos momentos. Años más tarde, otros científicos desvelaron el carácter universal de este mecanismo, al menos entre los mamífe- ros. Inspirados en los trabajos de O’Keefe, varios grupos de investigadores descubrieron esas neuronas de ubicación no solo en diferentes especies de roedores, sino también en otros animales. Los murciélagos, los monos e incluso nosotros, las personas, sabemos exactamente dónde nos encontramos gracias a ese mecanismo neuronal. Sin embargo, todavía quedaba un gran interrogante abierto. Las neuronas de ubicación no almacenan rutas ni elaboran un sistema de navegación y, en consecuencia, no permiten movimientos dirigidos ni la orientación en el espacio. En resumidas cuentas, solo anuncian que se ha llegado a un destino concreto. ¿Cómo elabora el ce- rebro, a partir de los datos puntuales, su mapa tridimen- sional? ¿De qué modo asocia lugares con rutas? ¿O cómo establece un atajo desde el punto A hasta el punto B? Patrón hexagonal La respuesta la obtuvieron, tres decenios después de los primeros experimentos de O’Keefe, los neurocientíficos noruegos May-Britt y Edvard Moser, quienes compartie- ron con él la mitad del premio Nobel de $%&'. Hoy inves- tigan en la facultad de ciencias naturales de Trondheim, pero sus conocimientos técnicos los adquirieron en la década de los noventa, entre otros, en el laboratorio de O’Keefe. Exploraron la corteza entorrinal, de difícil ac-
RETROSPECTIVA y de las personas. Permite, por ejemplo, que una rata que se desplaza sin rumbo fijo por su jaula mida, a partir de los puntos de activación, su velocidad y obtenga de esta manera una percepción del propio desplazamiento den- tro del espacio. La velocidad de la marcha depende del tamaño del hexágono y del tiempo que necesita el animal para «atravesarlo». Por otra parte, este es un sistema dinámico. Como se demostró en su día, el sistema aprende. Si se coloca al animal en una jaula extraña, la cual explora y olfatea con celo, el patrón en el hexágono de las neuronas de retícu- la se adapta a la experiencia del entorno recién acumu- lada. En ese momento se crean nuevos mapas del entor- no en la corteza entorrinal del múrido. La brújula incorporada Cuando una rata, una persona o un murciélago se orien- ta con sus mapas internos, aprovecha, además, la infor- mación de otras neuronas que almacenan los datos del sistema de orientación de la corteza entorrinal. Entre ellas se encuentran las células «brújula», conocidas asi- mismo desde hace más de una treintena de años. Estas células solo se activan cuando la cabeza adopta una de- terminada orientación espacial. Tres años después de describir las neuronas de retícu- la, el equipo dirigido por los Moser descubrió las «neu- ronas de delimitación» (border cells). Según explicaron, estas informan al individuo de que se acerca a un obstáculo de grandes dimensiones. Mas la historia no termina aquí. Otros tipos de neuronas auxiliares intervienen en la orientación espacial. Como adelantó el equipo del matrimonio Moser, du- rante los años que siguieron al descubrimiento de las neuronas de retícula, la auténtica clave del GPS interno radica en la interacción ordenada y dinámica de diferen- tes tipos de neuronas. Es decir, el mecanismo va mucho más allá de las respuestas neuronales relacionadas con un proceso de estímulo-respuesta, como se creía en los albores de la neurociencia. Se comprobó que los grupos de neuronas de retícula creaban módulos que intercambian información entre sí. Esos grupos celulares elaboraban mapas a escala diferen- te y con una orientación de los hexágonos distinta. De esta manera, en las capas superiores de la corteza entorri- nal se representaban hexágonos de neuronas de retícula tupidos, y en las zonas más profundas, hexágonos de mayor tamaño y extensión. Los neurocientíficos se muestran cada vez más conven- cidos de que estos módulos de retícula transmiten infor- maciones elaboradas, sobre todo al hipocampo, donde O’Keefe descubrió las neuronas de ubicación. Hoy en día se considera que la actividad de las neuronas de ubicación va más allá de encontrarse al inicio de una cadena de procesos dentro del modelo estímulo-respuesta, como se sospechaba en un inicio. Según los hallazgos, estas células no son las primeras en activarse cuando un individuo al- canza un destino concreto. Las neuronas de ubicación determinan puntos de referencia que, a través de la expe- riencia, contribuyen a «trazar» un mapa tridimensional en el cerebro. Este mapa se elabora, sobre todo, a partir de los procesos que discurren en la corteza entorrinal. El comité del premio Nobel describió los descubri- mientos de John O’Keefe, May-Britt Moser y Edvard Moser como revolucionarios, puesto que podían servir de modelo funcional para otros procesos cognitivos abstractos, entre ellos, la memoria. El comité especuló con la posibilidad de que algún día se descubran células análogas a las de ubicación, las cuales codifiquen el tiempo y se activen al evocar los recuerdos episódicos. Desde los años noventa, se sospecha que las neuronas de ubicación contribuyen a la consolidación del conte- nido de la memoria durante el descanso nocturno. Los experimentos han revelado que las ratas durmientes muestran una actividad secuencial de las neuronas de ubicación del hipocampo que representa la ruta del la- berinto previamente aprendida. La memoria, la percep- ción del tiempo o la orientación son procesos, a primera vista, muy distintos. Aun así, podrían basarse en meca- nismos neuronales similares. + PA R A S A B E R M Á S The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. J. O’Keefe y J. Dostrovsky en Brain Research, vol. ', págs. &+&-&+(, &,+&. Microstructure of spatial map in the entorhinal cortex. T. Hafting et al. en Nature, vol. '., págs. /%&-/%., $%%(. E N N U E S T R O A R C H I V O De A a B. Tobias Meilinger y Christian Doeller en MyC n.o^ (*, $%&$. El sentido de la orientación. Stefan Münzer en MyC n.o^ ++, $%&.. El GPS del cerebro. May-Britt Moser y Edvard I. Moser en IyC, marzo de $%&.. El comité del premio Nobel describió los hallazgos como revolucionarios
