– (Agencia CyTA-Instituto Leloir)-. Guiado por el matrimonio noruego que ganó el Nobel de Medicina 2014, un neurocientífico argentino descubrió la pieza faltante del GPS cerebral que ayuda a orientarnos en el espacio. El trabajo fue publicado en la reconocida revista Nature y podría tener implicaciones tecnológicas y terapéuticas.
“El hallazgo no sólo puede servir en el futuro para mejorar diagnósticos y tratamientos de enfermedades neurodegenerativas sino también mejorar sistemas de navegación”, explicó a la Agencia CyTA-Leloir el autor principal del estudio, el doctor Emilio Kropff, investigador del CONICET en el Laboratorio de Plasticidad Neuronal del Instituto Leloir que dirige el doctor Alejandro Schinder.
Nacido y criado en Bariloche, Kropff se licenció en física en la UBA en 2003, hizo un doctorado en neurociencia cognitiva en Italia y entre 2008 y 2011 investigó en Noruega bajo la dirección de los doctores Edvard y May-Britt Moser, quienes recibieron el Nobel de Medicina 2014 por descubrir el circuito de neuronas que funcionan como “GPS interno” en el cerebro.
El tercer ganador de ese Nobel, el británico-estadounidense John O’Keefe, descubrió en 1971 las “place cells”, cierto tipo de neuronas que “eligen” una posición dentro de un ambiente y se activan cada vez que pasamos por ahí, sin importar lo que estemos haciendo. “Están involucradas en la construcción de un mapa espacial, y se relaciona con la memoria de los ambientes que vamos recorriendo”, señaló Kropff. Por su parte, los Moser descubrieron las neuronas “grid cells” que codifican el espacio de una manera mucho más abstracta que las células identificadas por O’Keefe, algo así como un eje de coordenadas aplicables a cualquier ambiente, añadió.
“En este trabajo describimos por primera vez un tipo de neuronas del GPS cerebral, llamadas ‘speed cells’, encargadas de determinar la velocidad de desplazamiento en cada paso que damos en un ambiente cualquiera”, explicó Kropff.
Si fuéramos un caballo moviéndonos en un tablero de ajedrez, ejemplificó Kropff,(foto), podríamos reconstruir nuestra posición en cualquier momento del partido basándonos únicamente en la configuración inicial de las piezas y los movimientos que el jugador realizó para llevarnos hasta ahí.
“Del mismo modo, podríamos conocer nuestra posición en un ambiente determinado si conociéramos los desplazamientos que fuimos realizando a partir de una posición inicial. Para eso sería preciso conocer no solamente la dirección de cada paso que dimos sino también su velocidad. Y para eso son importantes las ‘speed cells’”, señaló.
Para llegar al resultado, los investigadores se sirvieron de un aparato experimental novedoso al que bautizaron “troncomóvil” en homenaje a los Picapiedras. Se trata de un carrito a motor, sin piso, que se desplaza a lo largo de una vía y puede controlar con gran precisión la velocidad a la que debe correr una rata. Cuando el animal acompañaba el movimiento del vehículo, recibía una recompensa.
Los investigadores encontraron que alrededor del 15 por ciento de las neuronas de una zona de la corteza cerebral que participa de la memoria y la orientación, la corteza entorrinal, se dedica exclusivamente a determinar la velocidad de desplazamiento. Son las “speed cells”.
“Pero si bien tenemos hoy todas las piezas necesarias para completar la compleja maquinaria del GPS interno, nos falta todavía entender cómo están ensambladas”, advirtió Kropff.
Este descubrimiento ayuda a ir reconstruyendo de a poco los circuitos del cerebro dedicados a la memoria y la orientación espacial, dos capacidades íntimamente ligadas que se ponen en juego en algunas patologías como la enfermedad de Alzheimer.
La dilucidación de los mecanismos que permiten el funcionamiento del GPS en condiciones normales es un aporte necesario para encontrar, en el largo plazo, nuevos métodos de tratamiento y diagnóstico, indicó Kropff. “Por otro lado, es posible también que estos descubrimientos sean una fuente de inspiración para el diseño de las futuras generaciones de sistemas de navegación, que puedan ser a la vez artificiales e inteligentes”, agregó.
El hallazgo relacionado con el GPS cerebral fue realizado por el investigador argentino Emilio Kropff, del Instituto Leloir, bajo la dirección de los premios Nobel de Medicina 2014.
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“Tenemos todas las piezas del rompecabezas para armar el mapa del GPS del cerebro. O al menos tenemos todas las que teóricamente hacen falta. Ahora hay que ponerse a armarlo”, dice Emilio Kropff.
“Cuando hablamos de orientación, sería como imaginar nuestra posición en el espacio, metido en un mapa como si uno lo pudiera ver de afuera”, explica Kropff. “Ese tipo de orientación comparte los mismos circuitos neuronales que se ocupan de generar nuevas memorias, y eso tiene que ver con que necesitamos memorizar no solo lo que nos pasó sino donde nos pasó, y por eso vamos construyendo mapas de los lugares que visitamos a medida que nos movemos”, agrega.
El GPS interno está relacionado entonces con la creación de memorias, y para generar esos mapas es necesario recibir diferentes tipos de información relacionados con la posición, dirección y ubicación del cuerpo. Y justamente las redes y vías neuronales involucradas en ambos procesos se encuentran en las mismas regiones del cerebro: hipocampo y corteza entorrinal.
“El primero es como el centro de generación y procesamiento de la memoria y mapas espaciales, mientras que la segunda es el área por la que fluye la información, algo así como la puerta de entrada y salida que comunica con el resto del cerebro”, explica Kropff. Fue en la corteza entorrinal donde se encontró a las speed cells, que son parte de ese entramado que ayuda a determinar la posición del cuerpo en el espacio.
Hasta ahora se habían identificado cuatro tipos de neuronas involucrados en el GPS y la brújula: las place cells o ‘células de lugar’, las grid cells o ‘células de grilla’, las border cells o ‘células de borde’ y las neuronas head direction.
Ahora, con el hallazgo de las speed cells, los investigadores tienen todos los componentes que – teóricamente – integran la red neuronal que ayuda al cerebro a percibir dónde se encuentra, en qué espacio, con qué límites y configuración espacial y a qué velocidad se desplaza.
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Scientists have found groups of cells that fire at different rates depending on how fast an animal is moving. Dubbed “speed cells,” they could be the missing link in how animals are able to pinpoint their own location.
The study, by scientists from the Norwegian University of Science and Technology, builds on earlier research that had identified two groups of neurons responsible for helping animals track their location. «Place cells,» discovered in the 1970s, were found to fire when a rat entered a certain location. «Grid cells,» meanwhile, found in 2005, fire at regular intervals when an animal moves, helping their brains create a grid with mental coordinates.
How these cells obtained information on the angle and speed of movement, though, had remained somewhat of a mystery. Now, the team writing in Nature Neuroscience say they have found evidence for previously hypothesized speed cells.
«The speed cells that we discovered are a kind of missing link in our understanding of how the positioning system works,» co-author on the study Edvard Moser told IFLScience.
In experiments, rats were wired into a moveable treadmill and placed on a track four meters (13 feet) long. They were then made to run at certain speeds by changing the speed of the treadmill. Electrodes were implanted into the brains of the rats to study deep brain tissue known as medial entorhinal cortex (MEC), where grid cells had been found before.
The medial entorhinal cortex (MEC), shown by the yellow arrow, could be responsible for our in-built GPS. Hagmann P/Cammoun L/Gigandet X/Meuli R/Honey CJ et al/Wikimedia Commons.
During the tests, it was found that between 13 and 15% of the recorded cells showed a firing pattern that correlated with the speed the animals were running. The cells, numbering several hundred, seem to have no other purpose aside from monitoring the speed of the animal, Moser told IFLScience. «This is the first time that speed cells have been shown as a unique cell type,» he said.
While this experiment was in rats, Moser said that it was «quite likely» these same positioning cells exist in humans. «We know that some grid cells exist in humans, it has been shown in epilepsy patients who have tiny electrodes implanted into their brain,» he said. Place cells have also been detected in humans.
These are not exclusively the only types of positioning cells; «border cells» and «direction cells» have been detected before. But if we can successfully comprehend how they all work, it could have implications for treating certain conditions.
«They would complete a better understanding of how the cortex works,» said Moser, «and the cortex is the basis of all activity, so this would be a much better basis for understanding psychiatric diseases.» In particular, he notes that it could be useful in treating Alzheimer’s disease, which can be accompanied by a loss of a sense of direction.
The next step for the research will be to work out exactly where the signals are coming from in the brain, and how the cells work together to create this in-built positioning system.