La capacidad del cerebro para percibir el espacio se expande como el universo

La capacidad del cerebro para percibir el espacio se expande como el universo

Los investigadores de Salk encuentran que las redes neuronales responsables de la percepción espacial cambian de manera no lineal y pueden tener implicaciones para los trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer.

LA JOLLA—Los niños pequeños a veces creen que la luna los sigue, o que pueden extender la mano y tocarla. Parece estar mucho más cerca de lo que es proporcional a su verdadera distancia. A medida que avanzamos en nuestra vida diaria, tendemos a pensar que navegamos en el espacio de forma lineal. Pero los científicos de Salk han descubierto que el tiempo dedicado a explorar un entorno hace que las representaciones neuronales crezcan de formas sorprendentes.

Los resultados, publicados en Nature Neuroscience el 29 de diciembre de 2022, muestran que las neuronas del hipocampo, esenciales para la navegación espacial, la memoria y la planificación, representan el espacio de una manera que se ajusta a una geometría hiperbólica no lineal: una expansión tridimensional que crece hacia afuera de manera exponencial. (En otras palabras, tiene la forma del interior de un reloj de arena en expansión). Los investigadores también encontraron que el tamaño de ese espacio crece con el tiempo que se pasa en un lugar. Y el tamaño aumenta de forma logarítmica que coincide con el aumento máximo posible de información procesada por el cerebro.

Este descubrimiento proporciona métodos valiosos para analizar datos sobre trastornos neurocognitivos relacionados con el aprendizaje y la memoria, como la enfermedad de Alzheimer.

“Nuestro estudio demuestra que el cerebro no siempre actúa de manera lineal. En cambio, las redes neuronales funcionan a lo largo de una curva en expansión, que se puede analizar y comprender mediante la geometría hiperbólica y la teoría de la información”, dice el profesor Salk. Tatiana Sharpee, titular de la Cátedra Edwin K. Hunter, quien dirigió el estudio. “Es emocionante ver que las respuestas neuronales en esta área del cerebro formaron un mapa que se expandió con la experiencia en función de la cantidad de tiempo dedicado a un lugar determinado. El efecto incluso se mantuvo para minúsculas desviaciones en el tiempo cuando el animal corría más lento o más rápido por el medio ambiente”.

El laboratorio de Sharpee utiliza enfoques computacionales avanzados para comprender mejor cómo funciona el cerebro. Recientemente, fueron pioneros en el uso de la geometría hiperbólica para comprender mejor las señales biológicas, como las moléculas olfativas, así como la percepción del olfato.

En el estudio actual, los científicos descubrieron que la geometría hiperbólica también guía las respuestas neuronales. Los mapas hiperbólicos de moléculas y eventos sensoriales se perciben con mapas neuronales hiperbólicos. Las representaciones espaciales se expandieron dinámicamente en correlación con la cantidad de tiempo que la rata pasó explorando cada entorno. Y, cuando una rata se movía más lentamente por un entorno, obtenía más información sobre el espacio, lo que provocaba que las representaciones neuronales crecieran aún más.

"Los hallazgos brindan una perspectiva novedosa sobre cómo las representaciones neuronales pueden alterarse con la experiencia", dice Huanqiu Zhang, estudiante de posgrado en el laboratorio de Sharpee. "Los principios geométricos identificados en nuestro estudio también pueden guiar futuros esfuerzos para comprender la actividad neuronal en varios sistemas cerebrales".

“Uno pensaría que la geometría hiperbólica solo se aplica a una escala cósmica, pero eso no es cierto”, dice Sharpee. “Nuestros cerebros funcionan mucho más lento que la velocidad de la luz, lo que podría ser una razón por la que se observan efectos hiperbólicos en espacios captables en lugar de astronómicos. A continuación, nos gustaría aprender más sobre cómo estas representaciones hiperbólicas dinámicas en el cerebro crecen, interactúan y se comunican entre sí”.

Otros autores incluyen a P. Dylan Rich de la Universidad de Princeton y Albert K. Lee del Campus de Investigación Janelia en el Instituto Médico Howard Hughes.

La investigación fue apoyada por un premio de la Iniciativa AHA-Allen en Salud Cerebral y Deterioro Cognitivo otorgado conjuntamente a través de la Asociación Estadounidense del Corazón y el Grupo Paul G. Allen Frontiers (19PABH134610000), la Fundación Dorsett Brown, la Fundación Mary K. Chapman, un Aginsky Fellowship, National Science Foundation (IIS-1724421), National Science Foundation Next Generation Networks for Neuroscience Program (Premio 2014217), National Institutes of Health (U19NS112959 y P30AG068635) y Howard Hughes Medical Institute.

DOI: 10.1038/s41593-022-01212-4