Una brújula en 3D en el cerebro, para orientarnos en el espacio

Una investigación que del Instituto Weizmann que se publica en el último número de Nature demuestra por primera vez la existencia de esa brújula-3D en el cerebro de murciélagos, unos mamíferos muy peculiares que pasan la mitad de su vida cabeza abajo.

Navegación se basa en la memoria espacial, es decir, el recuerdo de los diferentes lugares en los que hemos estado. Esta memoria se forma principalmente en una estructura del cerebro denominada formación del hipocampo. En los mamíferos, tres tipos de células localizadas en diferentes áreas de la formación del hipocampo forman el GPS.

Dos de ellas, las células de retícula y las de lugar, funcionan como un GPS, que permite saber en todo momento donde estamos. Un tercer tipo, células de dirección de la cabeza, responden actúan como una brújula, marcando la dirección de la cabeza del animal. El papel de las células de lugar y de retícula esta más claro y sus descubridores han sido galardonados con el Premio Nobel 2014 de Fisiología o Medicina, pero hasta hace poco tiempo, las células de dirección de dirección se ha estudiado sólo en dos dimensiones (2D), en ratas, y se sabe poco sobre la codificación de la tercera dimensión en el cerebro.

Para llenar esa laguna, los científicos del Instituto Weizmann desarrollaron un un aparato para registrar en vídeo los tres ángulos de rotación de la cabeza de los murciélagos de la fruta egipcios. Estos movimientos se conocen como cabeceo (movimiento de hacia arriba y abajo de la cabeza, como cuando se afirma), alabeo (movimientos de rotación respecto del eje longitudinal de la cabeza, como ocurre cuando inclinamos la cabeza a derecha e izquierda tratando de aproximar las orejas al hombro) y balanceo (rotación respecto al eje vertical de la cabeza, como cuando negamos).

Al mismo tiempo, controlaron la actividad neuronal de los murciélagos mediante microelectrodos implantados en su cerebro. Las grabaciones realizadas con la ayuda de estos microelectrodos revelaron que en una subregión específica de la formación del hipocampo, las neuronas están “sintonizadas” con un ángulo particular de inclinación de la cabeza en las tres direcciones del espacio. Algunas de esas neuronas se activan sólo cuando la cabeza del animal apunta en ese ángulo concreto.

El estudio también muestra por primera vez cómo el cerebro registra la dirección vertical y la integra con la horizontal. En la “brújula” neural, estas direcciones se calculan por separado. Las células de dirección de la cabeza en una región de la formación del hipocampo solo se activan en respuesta a los movimientos de la cabeza del murciélago respecto a la superficie horizontal para facilitar la orientación del animal en dos dimensiones, mientras que las células que responden a la componente vertical del movimiento del murciélago - es decir, una orientación 3D - se encuentran en otra región.

Los investigadores creen que las células de dirección 2D podrían servir para el desplazamiento a lo largo de una superficie, como ocurre cuando nos desplazamos de un sitio a otro, mientras que las células en 3D podrían ser importantes para las maniobras complejas en el espacio, como subir a las ramas de los árboles o, en el caso de los seres humanos, subir escaleras, hacer un salto que implique un giro en el espacio o pilotar una aeronave.

Aprovechando la peculiaridad de los murciélagos de vivir cabeza abajo, los científicos pudieron aclarar cómo se procesan las señales de la dirección de la cabeza en el cerebro del murciélago. Y al parecer estos cálculos se realizan de una manera que puede ser descrita por un sistema excepcionalmente eficiente de coordenadas matemáticas con forma de donut, denominado "toroidal". Gracias a este sistema de coordenadas, que les dota de un sistema estable de representación de su dirección, los murciélagos pueden orientarse eficazmente en el espacio estén cabeza arriba o cabeza abajo (movimiento de cabeceo).

Esta investigación apoya la idea de que las células de dirección en la formación del hipocampo actúan como brújula neural en 3D. Aunque el estudio se ha hecho en murciélagos, los científicos creen que sus hallazgos podrían aplicarse también a los mamíferos no voladores, incluyendo ardillas y monos que saltan entre las ramas de los árboles, así como los seres humanos.

Sin embargo, esas afirmaciones habrán de corroborarse para otras especies, pero de entrada plantean la nececesidad de volver a estudiar el papel de las células de dirección de la cabeza en roedores, donde inicialmente se descubrieron, como propone, en un artículo que acompaña a la investigación, May-Britt Moser , que acaba recibir el premio Nobel de Medicina precisamente en este campo del sistema de orientación espacial del cerebro.