Un nuevo modelo computacional explica cómo las neuronas vinculadas a la navegación espacial también pueden ayudar a almacenar recuerdos episódicos.
Hace casi 50 años, los neurocientíficos descubrieron células en el hipocampo del cerebro que almacenan recuerdos de lugares específicos. Estas células también desempeñan un papel importante en el almacenamiento de recuerdos de eventos, conocidos como memorias episódicas. Si bien el mecanismo por el cual las células de lugar codifican la memoria espacial ha sido bien caracterizado, sigue siendo un misterio cómo codifican las memorias episódicas.
Un nuevo modelo desarrollado por investigadores del MIT explica cómo se pueden reclutar esas células de lugar para formar recuerdos episódicos, incluso cuando no hay un componente espacial. Según este modelo, las células de lugar, junto con las células de cuadrícula que se encuentran en la corteza entorinal, actúan como un andamiaje que se puede utilizar para anclar los recuerdos como una serie enlazada.
“Este modelo es un primer borrador del circuito de memoria episódica entorrinal-hipocampal. Es una base sobre la que construir para comprender la naturaleza de la memoria episódica. Eso es lo que realmente me entusiasma”, dice Ila Fiete, profesora de ciencias cerebrales y cognitivas en el MIT, miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT y autora principal del nuevo estudio.
El modelo replica con precisión varias características de los sistemas de memoria biológica, incluida la gran capacidad de almacenamiento, la degradación gradual de los recuerdos más antiguos y la capacidad de las personas que compiten en competiciones de memoria para almacenar enormes cantidades de información en “palacios de la memoria”.
El científico investigador del MIT Sarthak Chandra y la doctora Sugandha Sharma, doctora en 2024, son los autores principales del estudio, que aparece hoy en la revista Nature . Rishidev Chaudhuri, profesor adjunto de la Universidad de California en Davis, también es uno de los autores del artículo.
Un índice de recuerdos
Para codificar la memoria espacial, las células de ubicación del hipocampo trabajan en estrecha colaboración con las células de cuadrícula, un tipo especial de neurona que se activa en muchos lugares diferentes, dispuestos geométricamente en un patrón regular de triángulos repetidos. Juntas, una población de células de cuadrícula forma una red de triángulos que representa un espacio físico.
Además de ayudarnos a recordar lugares en los que hemos estado, estos circuitos hipocampales-entorrinales también nos ayudan a orientarnos en nuevos lugares. Gracias a los pacientes humanos, se sabe que estos circuitos también son fundamentales para la formación de recuerdos episódicos, que pueden tener un componente espacial pero que consisten principalmente en eventos, como cómo celebraste tu último cumpleaños o qué almorzaste ayer.
“Los mismos circuitos hipocampales y entorrinales se utilizan no solo para la memoria espacial, sino también para la memoria episódica general”, afirma Fiete. “La pregunta que uno puede hacerse es ¿cuál es la conexión entre la memoria espacial y la episódica que hace que vivan en el mismo circuito?”
Se han propuesto dos hipótesis para explicar esta superposición de funciones. Una es que el circuito está especializado en almacenar recuerdos espaciales porque ese tipo de recuerdos (recordar dónde se encontraba la comida o dónde se vieron los depredadores) son importantes para la supervivencia. Según esta hipótesis, este circuito codifica recuerdos episódicos como un subproducto de la memoria espacial.
Una hipótesis alternativa sugiere que el circuito está especializado para almacenar memorias episódicas, pero también codifica la memoria espacial porque la ubicación es un aspecto de muchas memorias episódicas.
En este trabajo, Fiete y sus colegas propusieron una tercera opción: que la peculiar estructura de mosaico de las células de la cuadrícula y sus interacciones con el hipocampo son igualmente importantes para ambos tipos de memoria: episódica y espacial. Para desarrollar su nuevo modelo, se basaron en modelos computacionales que su laboratorio ha estado desarrollando durante la última década, que imitan cómo las células de la cuadrícula codifican la información espacial.
“Llegamos al punto en el que sentí que entendíamos en cierto nivel los mecanismos del circuito de células de la red, así que sentí que era el momento de tratar de entender las interacciones entre las células de la red y el circuito más grande que incluye el hipocampo”, dice Fiete.
En el nuevo modelo, los investigadores plantearon la hipótesis de que las células de la cuadrícula que interactúan con las células del hipocampo pueden actuar como un andamiaje para almacenar la memoria espacial o episódica. Cada patrón de activación dentro de la cuadrícula define un “pozo”, y estos pozos están espaciados a intervalos regulares. Los pozos no almacenan el contenido de un recuerdo específico, sino que cada uno actúa como un indicador de un recuerdo específico, que se almacena en las sinapsis entre el hipocampo y la corteza sensorial.
Cuando el recuerdo se activa más tarde a partir de fragmentos, las interacciones entre la red y las células del hipocampo llevan el estado del circuito al pozo más cercano, y el estado que se encuentra en el fondo del pozo se conecta con la parte adecuada de la corteza sensorial para completar los detalles del recuerdo. La corteza sensorial es mucho más grande que el hipocampo y puede almacenar grandes cantidades de memoria.
“Conceptualmente, podemos pensar en el hipocampo como una red de punteros. Es como un índice que puede completarse con un patrón a partir de una entrada parcial, y ese índice luego apunta hacia la corteza sensorial, donde se experimentaron esas entradas en primer lugar”, dice Fiete. “El andamiaje no contiene el contenido, solo contiene este índice de estados abstractos del andamiaje”.
Además, los eventos que ocurren en secuencia se pueden vincular entre sí: cada pozo en la red de células cuadriculadas del hipocampo almacena de manera eficiente la información necesaria para activar el siguiente pozo, lo que permite recordar los recuerdos en el orden correcto.
Modelando acantilados y palacios de la memoria
El nuevo modelo de los investigadores replica varios fenómenos relacionados con la memoria con mucha más precisión que los modelos existentes que se basan en redes de Hopfield, un tipo de red neuronal que puede almacenar y recordar patrones.
Aunque las redes de Hopfield ofrecen una perspectiva de cómo se pueden formar los recuerdos mediante el fortalecimiento de las conexiones entre neuronas, no modelan perfectamente cómo funciona la memoria biológica. En los modelos de Hopfield, cada recuerdo se recuerda con perfecto detalle hasta que se alcanza la capacidad máxima. En ese punto, no se pueden formar nuevos recuerdos y, lo que es peor, intentar agregar más recuerdos borra todos los anteriores. Este «acantilado de la memoria» no imita con precisión lo que sucede en el cerebro biológico, que tiende a olvidar gradualmente los detalles de los recuerdos más antiguos mientras se agregan continuamente otros nuevos.
El nuevo modelo del MIT recoge los hallazgos de décadas de grabaciones de células de la cuadrícula y del hipocampo en roedores realizadas mientras los animales exploran y buscan comida en diversos entornos. También ayuda a explicar los mecanismos subyacentes de una estrategia de memorización conocida como palacio de la memoria. Una de las tareas de las competiciones de memoria es memorizar la secuencia de cartas barajadas en una o varias barajas. Por lo general, esto se hace asignando cada carta a un lugar particular en un palacio de la memoria: un recuerdo de una casa de la infancia u otro entorno que conozcan bien. Cuando necesitan recordar las cartas, recorren mentalmente la casa, visualizando cada carta en su lugar a medida que avanzan. Contrariamente a la intuición, añadir la carga de memoria de asociar las cartas con las ubicaciones hace que el recuerdo sea más fuerte y más fiable.
El modelo computacional del equipo del MIT fue capaz de realizar estas tareas muy bien, lo que sugiere que los palacios de la memoria aprovechan la propia estrategia del circuito de la memoria de asociar las entradas con un andamiaje en el hipocampo, pero un nivel más abajo: los recuerdos adquiridos hace mucho tiempo y reconstruidos en la corteza sensorial más grande ahora pueden utilizarse como andamiaje para nuevos recuerdos. Esto permite el almacenamiento y la recuperación de muchos más elementos en una secuencia de lo que sería posible de otra manera.
Los investigadores ahora planean desarrollar su modelo para explorar cómo los recuerdos episódicos podrían convertirse en memoria “semántica” cortical, o la memoria de hechos disociados del contexto específico en el que fueron adquiridos (por ejemplo, París es la capital de Francia), cómo se definen los episodios y cómo los modelos de memoria similares al cerebro podrían integrarse en el aprendizaje automático moderno.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Ciencias bajo el programa Inteligencia Robusta, el premio ARO-MURI, la Fundación Simons y el Centro ICoN K. Lisa Yang. MIT News. A. T. Traducido al español
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