Biotecnología

Nueva York, NY – 14 de julio de 2021– Un tipo de célula cerebral humana previamente desconocido parece ayudar a las personas a centrarse en sus mapas personales del mundo, según un nuevo estudio de neurocientíficos de Columbia Engineering. Este descubrimiento arroja luz sobre los mecanismos celulares que subyacen a la navegación y la memoria en los seres humanos, así como qué partes del cerebro podrían verse afectadas durante los tipos de deterioro de la memoria comunes en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer.

Hay dos estrategias con las que los humanos y los animales navegan y se orientan. Una implica ubicar lugares, distancias y direcciones en marcos de referencia “alocéntricos” u otros centrados en el mundo externo. La otra estrategia implica marcos de referencia “egocéntricos” que se centran en el yo.

Siempre que utilice una aplicación de teléfono móvil para encontrar direcciones de conducción, es probable que emplee ambos modos de navegación. Cuando escribe una dirección por primera vez, normalmente le mostrará la dirección en un mapa desde una perspectiva alocéntrica, con “norte” en la parte superior y “sur” en la parte inferior. Cuando vaya a la vista de ruta, cambiará a una perspectiva egocéntrica en la que “adelante” está en la parte superior y “detrás” en la parte inferior.

Los científicos descubrieron por primera vez células cerebrales vinculadas con marcos de referencia alocéntricos en ratas en 1971: “células de lugar” que pueden indicar, por ejemplo, que una está ubicada en la esquina noreste de un área. Otros tipos de celdas espaciales alocéntricas incluyen celdas en la dirección de la cabeza que pueden activarse cuando uno está navegando hacia el sur, o celdas fronterizas que pueden responder cuando un límite está ubicado al oeste.

En la última década, los investigadores comenzaron a investigar cómo los cerebros de las ratas mapeaban marcos de referencia egocéntricos. Hace dos años, los científicos del Dartmouth College en Hanover, New Hampshire, identificaron una región del cerebro en ratas llamada corteza postrinal en la que abundan las células sintonizadas egocéntricamente. Sin embargo, seguía siendo poco conocido qué células cerebrales formaban la base de los mapas espaciales egocéntricos en los seres humanos.

“En los seres humanos, rara vez es posible registrar directamente la actividad de neuronas individuales del cerebro, debido a razones éticas”, dijo Lukas Kunz, investigador científico postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Columbia y primer autor del nuevo estudio. “Existen técnicas como fMRI o EEG, que nos permiten medir indirectamente la actividad neuronal de cerebros humanos sanos, pero esta actividad neuronal refleja la actividad total de millones de neuronas, lo que no permite sacar conclusiones directas sobre los principios de funcionamiento de las neuronas individuales. “

En el nuevo estudio, neurocientíficos de Estados Unidos y Alemania investigaron a 15 pacientes con epilepsia en el Centro Médico de la Universidad de Friburgo en Alemania. A estos voluntarios se les implantaron electrodos para ayudar a los médicos a controlar su trastorno.

Los investigadores pidieron a los voluntarios que realizaran tareas informáticas que exploraran su capacidad para navegar a través de entornos virtuales y recordar dónde se encontraban allí muchos objetos diferentes. Al mismo tiempo, los científicos registraron la actividad de más de 1.400 neuronas individuales en múltiples regiones del cerebro de todos los participantes.

Los científicos identificaron más de 160 neuronas que se comportaban como tipos de células espaciales egocéntricas, activándose cuando partes específicas del entorno virtual estaban delante, detrás, a la izquierda o a la derecha de los pacientes, o cuando los puntos en el espacio estaban cerca o lejos. lejos de los pacientes.

“Ahora somos los primeros en informar sobre tipos de células espaciales egocéntricas en humanos”, dijo Kunz. Los científicos publicaron su estudio, “Un código neuronal para mapas espaciales egocéntricos en el lóbulo temporal medial humano”, en la revista Neurona el 14 de julio de 2021.

Estas “células portadoras egocéntricas” probablemente codifican información espacial en un mapa mental centrado en cada persona. “Esto es presumiblemente importante para la vida cotidiana, cuando los humanos intentan orientarse en sus entornos y cuando navegan por rutas”, dijo Joshua Jacobs, profesor asociado de ingeniería biomédica en Columbia Engineering y autor principal del estudio.

Estas células portadoras egocéntricas eran particularmente amplias en la corteza parahipocampal, una región ubicada en las profundidades del cerebro que, según sugirieron trabajos anteriores, es el equivalente humano de la corteza postrinal de los roedores. Las células portadoras egocéntricas comprendían aproximadamente el 25% de todas las neuronas de la corteza parahipocampal. “Estudios anteriores habían demostrado que los pacientes con daño en esta región del cerebro están desorientados, presumiblemente porque sus células portadoras egocéntricas se vieron afectadas”, dijo Kunz.

Los investigadores también encontraron que estas células portadoras egocéntricas mostraban aumentos en la actividad cuando los pacientes usaban su memoria para recordar con éxito las ubicaciones de los objetos que habían encontrado en los entornos virtuales. “Esto sugiere que estas células no solo son relevantes para la navegación, sino que también juegan un papel en el recuerdo correcto de experiencias pasadas”, dijo Kunz.

“Los recuerdos consisten en múltiples elementos diferentes, como un evento específico, el lugar donde ocurrió el evento y el momento en que ocurrió”, dijo Kunz. “Creemos que existen diferentes sistemas neuronales para los diferentes componentes de estos recuerdos. Es de suponer que las células portadoras egocéntricas están particularmente involucradas en el procesamiento de la información espacial de los recuerdos”.

Estos hallazgos pueden aclarar lo que podría salir mal en las personas con déficit de memoria, incluidos los pacientes con enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. “Es posible que sus células portadoras egocéntricas no funcionen correctamente o que hayan sido destruidas por alguna razón, como un derrame cerebral, un tumor cerebral o demencia”, dijo Jacobs.

Estos nuevos hallazgos no responden a cómo se podría lidiar con tales deterioros de la memoria. “Todavía hay mucha investigación por hacer antes de que las alteraciones de la memoria puedan tratarse con éxito”, advirtió Kunz.

En el futuro, los investigadores quieren ver por qué exactamente cualquier célula portadora egocéntrica determinada está sintonizada con cualquier punto del espacio en el que se centre. Actualmente, Kunz y sus colegas asumen que múltiples señales espaciales diferentes, como objetos, límites espaciales y puntos de referencia, se combinan para influir en la posición de estos puntos de referencia. Los científicos pueden examinar la influencia que tienen estas señales en la ubicación de estos puntos de referencia al eliminar estas señales de los entornos durante los experimentos.

“Otra cuestión importante es cómo las células portadoras egocéntricas interactúan con los tipos de células espaciales alocéntricas”, dijo Kunz. “Actualmente planteamos la hipótesis de que las células portadoras egocéntricas proporcionan información esencial para los tipos de células espaciales alocéntricas”. Al comprender esto, los estudios futuros podrían explicar cómo la sintonización de los tipos de células espaciales alocéntricas está influenciada por el funcionamiento de las células portadoras egocéntricas “.

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Sobre el estudio

El estudio se titula “Un código neuronal para mapas espaciales egocéntricos en el lóbulo temporal medial humano. “

El estudio apareció en la revista Neurona el 14 de julio de 2021.

Los autores son: Lukas Kunz, Armin Brandt, Peter C. Reinacher, Bernhard P. Staresina, Eric T. Reifenstein, Christoph T. Weidemann, Nora A. Herweg, Ansh Patel, Melina Tsitsiklis, Richard Kempter, Michael J. Kahana, Andreas Schulze -Bonhage, Joshua Jacobs.

Departamento de Ingeniería Biomédica, Columbia Engineering

Este trabajo recibió financiación de la Fundación de Investigación Alemana, el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, subvención NSF BCS-1724243, subvención NIH / NINDS U01 NS1113198-01, subvención NIH MH55687, subvención NIH MH061975, subvención NIH MH104606, subvención de viaje de Boehringer Ingelheim Fonds, becas de investigación de la Fraunhofer Society y la Else Kröner-Fresenius Foundation, y una beca Sir Henry Dale de Wellcome Trust / Royal Society.

Ingeniería de Columbia

Columbia Engineering, con sede en la ciudad de Nueva York, es una de las mejores escuelas de ingeniería de EE. UU. Y una de las más antiguas del país. También conocida como la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Fundación Fu, la escuela expande el conocimiento y avanza la tecnología a través de la investigación pionera de sus más de 220 profesores, mientras educa a estudiantes de pregrado y posgrado en un ambiente colaborativo para convertirse en líderes informados por una base firme en Ingenieria. El cuerpo docente de la escuela está en el centro de la investigación interdisciplinaria de la Universidad, contribuyendo con el Instituto de Ciencia de Datos, el Instituto de la Tierra, el Instituto de Comportamiento Cerebro Mente Zuckerman, la Iniciativa de Medicina de Precisión y la Iniciativa Nano de Columbia. Guiada por su visión estratégica, “Columbia Engineering for Humanity”, la escuela tiene como objetivo traducir las ideas en innovaciones que fomenten una humanidad sostenible, saludable, segura, conectada y creativa.