La activación cerebral coordinada apoya el aprendizaje espacial y la toma de decisiones

Un estudio apoyado por los NIH encuentra que la “repetición” espacial en las neuronas puede ayudar a las ratas a aprender cómo navegar hacia las metas

La activación cerebral especializada “reproduce” las posibles rutas que las ratas pueden tomar mientras navegan por un espacio, ayudándoles a realizar un seguimiento de los caminos que ya han tomado y elegir entre las rutas que pueden tomar a continuación, según los Institutos Nacionales de Salud. estudio financiado publicado en la revista Neuron.

“Estos resultados revelan un proceso interno ‘replay’ en el cerebro que permite a los animales para aprender de las experiencias pasadas para formar memorias de caminos que conducen hacia las metas, y posteriormente a recordar estos caminos para planificar futuras decisiones”, dijo Shantanu Jadhav, Ph.D . , profesor asistente en la Universidad de Brandeis, Waltham, Massachusetts, y autor principal del estudio. “Estos resultados nos ayudan a comprender mejor cómo la activación coordinada a nivel de neuronas puede contribuir a los complejos procesos involucrados en el aprendizaje y la toma de decisiones”.

El hipocampo, una estructura ubicada en el medio del cerebro, es fundamental para el aprendizaje y la memoria y contiene células especializadas de “lugar” que transmiten información sobre la ubicación y orientación en el espacio. Estas células de lugar muestran patrones específicos de actividad durante la navegación que pueden “reproducirse” más adelante en orden hacia adelante o hacia atrás, casi como si el cerebro estuviera avanzando o retrocediendo rápidamente a través de las rutas que las ratas han tomado.

En investigaciones anteriores, Jadhav y sus colegas habían descubierto estos eventos de repetición, marcados por estallidos de actividad neuronal llamados ondas de onda aguda, que conducen a una actividad coordinada en el hipocampo y la corteza prefrontal, un área del cerebro justo detrás de la frente que está involucrada en Toma de decisiones.

Pero la forma en que estos eventos de repetición directa e inversa influyen en el aprendizaje real y la toma de decisiones a lo largo del tiempo seguía sin estar clara. Para descubrirlo, Jadhav y los coprimeros autores, Justin D. Shin y Wenbo Tang, registraron continuamente la actividad cerebral de las ratas mientras las ratas aprendían a navegar un laberinto especial en forma de W en el transcurso de un día. Esto permitió a los investigadores ver cómo cambiaban las representaciones neuronales a medida que las ratas aprendían.

Los investigadores entrenaron a las ratas durante ocho sesiones para seguir caminos de acuerdo con dos reglas: una regla simple y una regla compleja, otorgando a las ratas una recompensa siempre que llegaran al destino correcto. La regla simple requería recordar las ubicaciones de inicio y finalización de los caminos del laberinto. La regla compleja dependía de la memoria de trabajo, que requería que las ratas recordaran la ruta anterior para elegir el próximo destino.

Los científicos centraron sus análisis en los momentos de transición cuando las ratas se habían detenido entre completar un camino y elegir el siguiente. Como esperaban los investigadores, los eventos de repetición en el hipocampo mostraron la reactivación de las rutas pasadas en un orden inverso, como en rebobinado, y mostraron la reactivación de las posibles rutas futuras en un orden hacia adelante, como en avance rápido.

Los patrones de reproducción hacia adelante y hacia atrás fueron tan robustos que los investigadores pudieron usar las grabaciones para predecir dónde se habían detenido las ratas en el laberinto en forma de W. Las grabaciones continuas de la actividad cerebral a lo largo de toda la tarea revelaron cambios en los patrones de activación a medida que las ratas aprendieron la regla simple. En diferentes etapas de aprendizaje, los investigadores podrían usar patrones de reproducción inversa y reproducción inversa para predecir el camino que los animales acababan de tomar y hacia dónde iban a seguir, respectivamente. Estos cambios indicaron que la repetición inversa era importante para aprender de la ruta anterior, especialmente en las primeras etapas del aprendizaje, mientras que la repetición avanzada era importante para planificar la próxima ruta, especialmente en las etapas posteriores del aprendizaje.

Los patrones de activación relacionados con el aprendizaje de la compleja regla de la memoria de trabajo fueron más consistentes con el tiempo: los eventos de repetición inversa reactivaron todas las posibles elecciones pasadas y los eventos de repetición directa reactivaron todas las posibles opciones futuras a lo largo del proceso de aprendizaje.

Sin embargo, cuando los investigadores analizaron la coordinación entre los eventos de repetición en el hipocampo y la corteza prefrontal, descubrieron que la reactivación coordinada en las dos áreas del cerebro estaba correlacionada con las elecciones reales de las ratas, es decir, la reactivación era más fuerte para la repetición de caminos que las ratas tomaron más que por los caminos que no tomaron.

Juntos, los hallazgos sugieren que la reproducción coordinada en el hipocampo y la corteza prefrontal cumple una función importante en el aprendizaje espacial y la toma de decisiones guiada por la memoria. Específicamente, los resultados sugieren que es probable que la repetición inversa apoye la capacidad de reflexionar y evaluar los caminos que han llevado a objetivos en el pasado, mientras que la repetición progresiva parece respaldar la capacidad de pensar con anticipación y planificar opciones que conduzcan a objetivos en el futuro. futuro.

“La participación de ‘reproducción’ en los procesos de memoria se ha observado en muchas especies, incluidos los humanos, y este estudio establece que la reproducción sirve como un sustrato neuronal clave subyacente a un diálogo interno a través de múltiples regiones del cerebro para apoyar nuestra capacidad de aprender, planificar, elegir y deducir ”, concluyó Jadhav.