Cerebros de murciélago y donas neuronales: ¿Todos los animales tienen un GPS 3D interno?

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¡Hay un GPS en tu cerebro! ¡Tus neuronas son brújulas 3D! Investigadores del Instituto Weizmann en Israel han publicado recientemente algunos hallazgos nuevos sobre cómo los cerebros codifican la dirección de la cabeza en tres dimensiones. Lo que todavía no está claro en este punto es si su 'modelo de coordenadas toroidales', que ofrecen como el mecanismo detrás de este giroscopio interno, hace que el problema sea menos opaco para nosotros. Quizás lo más importante es que si las neuronas manifiestan de alguna manera esta rosquilla teórica, ¿qué es exactamente?

Arseny Finkelstein y sus colegas de Weizmann registraron la actividad neuronal de una región del hipocampo en murciélagos frugívoros conocida como presubículo. (Trabajo de investigación: doi: 10.1038 / nature14031 .) Estas criaturas tienen la mayor parte del equipo de murciélago habitual, pero como son entusiastas del día, no se destacan particularmente por sus habilidades de ecolocalización; pueden ecolocalizar cuando se presionan, solo ellos emiten su sonda clics con sus alas en lugar de boca.







Lo que realmente importa aquí es que estos murciélagos en particular tenían microelectrodos inalámbricos en el lugar craneal correcto y estaban acostumbrados a los rigores del trabajo de laboratorio. Los investigadores pudieron registrar la actividad de más de 500 neuronas mientras los murciélagos volaban a través de una región controlada del espacio o se arrastraban a través de varios recintos dentro de ella. Los investigadores suelen tratar de clasificar las células del hipocampo con calzador en varias categorías: celdas de cuadrícula, celdas de lugar y celdas de borde son solo algunos de ellos. Cuando tiene instalados murciélagos con un sofisticado hardware de seguimiento 3D, su capacidad para nombrar células de forma creativa mejora significativamente. Este tipo de configuración permite que el grupo de Weizmann caracterice las neuronas que responden más específicamente a la dirección u orientación de la cabeza, los ejes GoPro del murciélago, por así decirlo.

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Si bien las neuronas no necesitan ningún sistema de coordenadas para hacer lo que sea que hacen, necesitamos uno para hablar sobre estos nuevos problemas. Para el posicionamiento en un espacio 3D, a menudo es útil usar un sistema de tres coordenadas ortogonales: X, Y, Z.Si nuestras actividades están restringidas de alguna manera, como por ejemplo caminar sobre la superficie de una esfera, entonces podemos simplificar la situación un poco utilizando coordenadas esféricas no ortogonales con solo dos coordenadas angulares. En este caso se entiende que todos están siempre a la misma distancia radial del centro. Debemos tener en cuenta que las coordenadas GPS de latitud y longitud también funcionarían bien aquí, como también lo hacen para navegar horizontalmente sobre planetas giratorios iluminados por el sol.



Guiñada

Cuando se habla de orientación de la cabeza, en lugar de simplemente moverse a nuevos puntos en alguna superficie, las entidades de interés se convierten en los tres ángulos que usamos normalmente para definir la orientación en un avión, a saber, balanceo, cabeceo y guiñada. Los autores adoptan esta convención, pero prefieren el uso del término 'azimut' en lugar de guiñada. El término significa lo mismo para nosotros aquí, aunque en entornos más amplios, como la mecánica celeste, puede adquirir un significado más absoluto en lugar de ser simplemente un cambio relativo del rumbo actual. Como los murciélagos no se animan a rodar tanto a lo largo del eje de su cuerpo, las cosas que realmente activaron a las neuronas fueron los cambios de acimut (dirección) y de tono. Por lo tanto, los autores pudieron ignorar el pequeño conjunto de respuestas a los cambios de rollo y centrarse más en aquellas neuronas que respondían a varios combinaciones de azimut y tono.



Cuando estos murciélagos gimnastas se posan, normalmente realizan una voltereta hacia atrás parcial y aterrizan boca abajo colgando de sus pies. Para averiguar qué sucede con las neuronas de azimut y tono durante este truco, los investigadores ralentizaron el proceso y registraron las respuestas mientras se arrastraban horizontalmente hacia la derecha o boca abajo. Sorprendentemente, encontraron que cuando la GoPro del murciélago, por así decirlo, estaba del lado derecho hacia arriba en una cierta orientación con respecto a algún punto de referencia externo fijo, las celdas de dirección de la cabeza que estaban activas mantuvieron esa actividad incluso cuando el murciélago se movió 180 grados a la posición invertida. Esto implica que estas células continúan codificando un vector absoluto en algún punto fijo incluso cuando cambian las direcciones relativas locales del eje de la cabeza y el cuerpo.

Eso ya no suena demasiado a una celda de dirección de la cabeza. Los investigadores encontraron que la forma en que los murciélagos alivian la ambigüedad en la dirección que permanece después de este tipo de movimiento, es que la población celular responda al rango completo de 360 ​​grados de posibles tonos. En muchas criaturas terrestres, las células de tono en el hipocampo, y por lo general sus regiones de salida objetivo correspondientes, generalmente solo se emocionan con los ángulos de inclinación que van desde mirar hacia adelante hasta 90 grados hacia arriba. Un problema al suponer una representación de coordenadas esféricas de las respuestas de las neuronas es que habría discontinuidades en las regiones polares para la coordenada de tono. No solo eso, sino que no quiere ni necesita un ángulo de 360 ​​grados para representar la esfera completa cuando ya tiene 360 ​​grados de dirección.



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Si no ve de inmediato la razón de esto en mi redacción menos que perfecta, recuerde su cálculo cuando tuvo que integrar el volumen de una esfera. Primero barre su vector de radio de cero a 2π (o 360 grados) para obtener el área en la primera integral, luego barre esa área a través de solo 180 grados para obtener el volumen. Si, en cambio, lo barriera 360 grados, estaría cubriendo el volumen dos veces. La inspiración clave que tuvieron los investigadores fue utilizar una representación en la que en su lugar se barre el círculo o anillo que representa el tono, alrededor de algún otro punto distante desplazado. Técnicamente, como saben los usuarios de CAD, esto se define como un giro alrededor de una línea coplanar.

Bipolar

Cuando haces este giro, obtienes tu bagel neuronal, completo con todas las nuevas posiciones de tono en una vista completa, sin adulterar y sin ambigüedades. Este tipo de toroide no es nada nuevo, en realidad tiene su raíz de un descubrimiento hace mucho tiempo conocido como coordenadas bipolares. Este sistema de coordenadas no es más que una serie de círculos alrededor de dos puntos, separados por cierta distancia. Los círculos se cruzan en ángulos rectos perfectos (en la foto de la derecha). Este formalismo aparentemente esotérico en realidad tiene algún uso práctico para simplificar algunos problemas básicos de física o de campo. Aunque esta construcción parece una reminiscencia de las líneas de campo entre dos cargas opuestas (o los polos de un imán de barra), en realidad es una bestia bastante diferente que no es relevante aquí.

Siguiente lectura: Entonces, ¿cuál es el impacto de estos bagels neuronales de posicionamiento interno?