célula de dirección de cabeza

Las células de dirección de la cabeza ( HD ) son neuronas que se encuentran en varias regiones del cerebro y que aumentan sus tasas de disparo por encima de los niveles basales solo cuando la cabeza del animal apunta en una dirección específica. Se han descrito en ratas, ^{[ 1 ]} monos, ^{[ 2 ]} ratones, ^{[ 3 ]} chinchillas ^{[ 4 ]} y murciélagos, ^{[ 5 ]} pero se cree que son comunes a todos los mamíferos , quizás a todos los vertebrados ^{[ 6 ] [ 7 ]} y quizás incluso a algunos invertebrados, ^{[ 8 ]} y que subyacen al "sentido de la dirección". Cuando la cabeza del animal está orientada en la "dirección de disparo preferida" de la célula, estas neuronas disparan a una tasa constante (es decir, no muestran adaptación ), pero el disparo disminuye hasta las tasas basales a medida que la cabeza del animal gira en dirección opuesta a la preferida (generalmente unos 45° en dirección opuesta). ^{[ 9 ]}

^{Las células HD se encuentran en muchas áreas del} cerebro, incluidas las regiones corticales del postsubículo (también conocido como presubículo dorsal), la corteza retrosplenial [ ^{10 ]} y la corteza entorrinal ^{[ 11 ]} , y regiones subcorticales como el tálamo (los núcleos talámicos dorsal anterior ^{[ 12 ]} y dorsal lateral ^{[ 13 ]} ), el núcleo mamilar lateral ^{[ 14 ]} , el núcleo tegmental dorsal y el cuerpo estriado . Se cree que las células corticales de dirección de la cabeza procesan información sobre el entorno, mientras que las subcorticales procesan información sobre los movimientos angulares de la cabeza ^{[ 15 ] .}

Una característica notable de las células HD es que, en la mayoría de las regiones cerebrales, mantienen las mismas direcciones de disparo preferidas relativas, incluso si el animal se traslada a una habitación diferente o si se modifican los puntos de referencia. Esto ha sugerido que las células interactúan para mantener una señal de dirección estable y unitaria (véase «Modelos teóricos»). Sin embargo, recientemente se ha descubierto una subpoblación de neuronas HD en la parte disgranular de la corteza retrosplenial que puede operar independientemente del resto de la red y que parece ser más sensible a las señales ambientales. ^{[ 16 ]}

El sistema está relacionado con el sistema de células de lugar , ubicado en el hipocampo , ^{[ 17 ]} que es mayormente invariante a la orientación y específico de la ubicación, mientras que las células HD son mayormente específicas de la orientación e invariantes a la ubicación. Sin embargo, las células HD no requieren un hipocampo funcional para expresar su especificidad de dirección de la cabeza. ^{[ 18 ]} Dependen del sistema vestibular , ^{[ 19 ]} y la activación es independiente de la posición del cuerpo del animal en relación con su cabeza. ^{[ 20 ]}

Algunas células de dirección de la cabeza (HD) exhiben un comportamiento anticipatorio: ^{[ 21 ]} se ha observado que la mejor coincidencia entre la actividad de las células HD y la dirección real de la cabeza del animal se produce hasta 95 ms después. Es decir, la actividad de las células de dirección de la cabeza predice, con 95 ms de antelación, cuál será la dirección de la cabeza del animal. Esto posiblemente refleja información del sistema motor ("copia eferente motora") que prepara la red para un giro de cabeza inminente.

Las células HD continúan activándose de manera organizada durante el sueño, como si los animales estuvieran despiertos. ^{[ 22 ]} Sin embargo, en lugar de apuntar siempre hacia la misma dirección —los animales están dormidos y, por lo tanto, inmóviles— la "aguja de la brújula" neuronal se mueve constantemente. En particular, durante el sueño REM , un estado cerebral rico en actividad onírica en los humanos y cuya actividad eléctrica es prácticamente indistinguible de la del cerebro despierto, esta señal direccional se mueve como si el animal estuviera despierto: es decir, las neuronas HD se activan secuencialmente, y las neuronas individuales que representan una dirección común durante la vigilia siguen activas, o silenciosas, al mismo tiempo.

La red HD utiliza entradas inerciales y otras relacionadas con el movimiento, y por lo tanto continúa operando incluso en ausencia de luz. Estas propiedades inerciales dependen del sistema vestibular , especialmente de los canales semicirculares del oído interno , que señalan rotaciones de la cabeza. ^{[ 23 ]} El sistema HD integra la salida vestibular para mantener una señal que refleje la rotación acumulada. Sin embargo, la integración no es perfecta, especialmente para rotaciones lentas de la cabeza. Si un animal se coloca en una plataforma aislada y se rota lentamente en la oscuridad, la alineación del sistema HD generalmente cambia un poco con cada rotación. Si un animal explora un entorno oscuro sin señales direccionales, la alineación HD tiende a derivar lenta y aleatoriamente con el tiempo.

Uno de los aspectos más interesantes de las neuronas de dirección de la cabeza es que su activación no está completamente determinada por las características sensoriales del entorno. Cuando un animal entra por primera vez en un entorno nuevo, la alineación del sistema de dirección de la cabeza es arbitraria. Durante los primeros minutos de exploración, el animal aprende a asociar los puntos de referencia del entorno con las direcciones. Cuando el animal regresa al mismo entorno más tarde, si el sistema de dirección de la cabeza está desalineado, las asociaciones aprendidas sirven para realinearlo.

Es posible alterar temporalmente la alineación del sistema HD, por ejemplo, apagando las luces durante unos minutos. Incluso en la oscuridad, el sistema HD continúa funcionando, pero su alineación con el entorno puede desviarse gradualmente. Cuando se vuelven a encender las luces y el animal puede volver a ver puntos de referencia, el sistema HD suele recuperar rápidamente su alineación normal. En ocasiones, la realineación se retrasa: las células HD pueden mantener una alineación anormal durante unos minutos, para luego volver bruscamente a su posición original. Al igual que ocurre con la desviación en la oscuridad, las células HD no son sensibles a la polaridad de los campos geomagnéticos. ^{[ 24 ]}

Si este tipo de experimentos de desalineación se realizan con demasiada frecuencia, el sistema puede colapsar. Si un animal se desorienta repetidamente y luego se le coloca en un entorno durante unos minutos cada vez, los puntos de referencia pierden gradualmente su capacidad para controlar el sistema HD y, finalmente, el sistema entra en un estado en el que muestra una alineación diferente y aleatoria en cada ensayo .

Existe evidencia de que el control visual de las células HD está mediado por el postsubículo. Las lesiones del postsubículo no eliminan las células HD talámicas, pero a menudo provocan que la direccionalidad varíe con el tiempo, incluso cuando hay abundantes señales visuales. Por lo tanto, las células HD en animales con lesiones en el postsubículo se comportan como las células HD en animales intactos en ausencia de luz. Además, solo una minoría de las células registradas en el postsubículo son células HD, y muchas de las demás muestran respuestas visuales. En entornos familiares, las células HD muestran direcciones preferidas consistentes a lo largo del tiempo siempre que haya algún tipo de señal polarizante que permita identificar las direcciones (en un cilindro con paredes sin marcar y sin señales en la distancia, las direcciones preferidas pueden variar con el tiempo) .

Las propiedades del sistema de dirección de la cabeza —en particular su persistencia en la oscuridad, y también la relación constante de las direcciones de disparo entre las células independientemente de los cambios ambientales— sugirieron a los primeros teóricos la noción, aún aceptada, de que las células podrían estar organizadas en forma de un atractor anular, incluyendo modelos propuestos simultáneamente por Zhang ^{[ 25 ]} y por Redish y Touretzky ^{[ 26 ]} . En estos modelos, que son un tipo de red atractora donde pares de células que representan direcciones cercanas están más fuertemente acopladas que pares de células que representan orientaciones distantes. Con la inhibición global, estas interacciones hacen que la actividad se estabilice, de modo que una representación de una sola orientación es más estable que los estados que representan múltiples orientaciones incoherentes. Por lo tanto, estas células pueden conceptualizarse como formando un anillo imaginario, donde cada célula excita a las células que codifican para su propia dirección o direcciones vecinas, y suprime a las células que codifican para otras direcciones. Una idea clave proporcionada por estos modelos fue que la topología de la selectividad de orientación (el anillo) provenía de conexiones internas, mientras que las señales externas estaban asociadas con esas representaciones internas. Así, las células de dirección de la cabeza, como las células de lugar , no eran simples respuestas sensoriales. En estos modelos y sus versiones posteriores, la información sobre los cambios en la orientación del animal proporcionada por las señales de movimiento vestibular y visual era proporcionada por conexiones desplazadas, mientras que la información de señales distales era proporcionada por conexiones de entrada aprendidas. ^{[ 27 ]} Recientemente se informó evidencia directa de tal organización en insectos: ^{[ 28 ]} en mamíferos se supone que el "anillo" está distribuido y no es una forma anatómica geométrica. Si bien no hay evidencia anatómica directa de tales interconexiones excitatorias entre las células de dirección de la cabeza, se han confirmado varias predicciones de los modelos, como la forma en que las curvas de sintonización cambiarían durante las rotaciones izquierda y derecha, ^{[ 27 ]} representaciones autocoherentes durante el sueño, ^{[ 29 ]} y cambios durante la deriva y la reorientación. ^{[ 30 ]}

Song y Wang también propusieron un modelo alternativo ^{[ 31 ]} en el que el mismo mecanismo atractor podría implementarse con interconexiones inhibitorias. Asimismo, se han propuesto matrices de conexión más complejas que pueden producir sistemas matemáticamente equivalentes ^{[ 32 ]} , pero no existen pruebas que respalden estos modelos alternativos.

James B. Ranck, Jr. descubrió las células de dirección de la cabeza en el presubículo dorsal de la rata, una estructura que se encuentra cerca del hipocampo en la superficie dorsocaudal del cerebro. Ranck informó de su descubrimiento en un resumen de la Sociedad de Neurociencia en 1984. ^{[ 33 ]} Jeffrey Taube, un becario postdoctoral que trabajaba en el laboratorio de Ranck, convirtió estas células en el objeto de su investigación. Taube, Ranck y Bob Muller resumieron sus hallazgos en dos artículos publicados en el Journal of Neuroscience en 1990. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Estos artículos fundamentales sirvieron de base para todo el trabajo realizado posteriormente. Taube, tras incorporarse al Dartmouth College, ha dedicado su carrera al estudio de las células de dirección de la cabeza y ha sido responsable de varios de los descubrimientos más importantes, además de escribir varios artículos de revisión clave.

El postsubículo tiene numerosas conexiones anatómicas. El rastreo de estas conexiones llevó al descubrimiento de células de dirección de la cabeza en otras partes del cerebro. En 1993, Mizumori y Williams informaron haber encontrado células HD en una pequeña región del tálamo de la rata llamada núcleo dorsolateral . ^{[ 36 ]} Dos años después, Taube encontró células HD en los núcleos talámicos anteriores cercanos . ^{[ 37 ]} Chen et al. encontraron un número limitado de células HD en partes posteriores de la neocorteza . ^{[ 38 ]} La observación en 1998 de células HD en el área mamilar lateral del hipotálamo completó un patrón interesante: el parahipocampo, los núcleos mamilares, el tálamo anterior y la corteza retrosplenial son todos elementos en un bucle neural llamado circuito de Papez , propuesto por Walter Papez en 1939 como el sustrato neural de la emoción. También se han observado números limitados de células HD robustas en el hipocampo y el estriado dorsal. Recientemente, se han encontrado cantidades sustanciales de células HD en la corteza entorrinal medial, entremezcladas con células de cuadrícula sintonizadas espacialmente .

Las notables propiedades de las células HD, en particular su simplicidad conceptual y su capacidad para mantener la actividad neuronal cuando se eliminaban o alteraban las señales visuales, suscitaron un considerable interés entre los neurocientíficos teóricos. Se desarrollaron varios modelos matemáticos que diferían en detalles, pero que compartían la dependencia de una retroalimentación mutuamente excitatoria para mantener los patrones de actividad: una especie de memoria de trabajo . ^{[ 39 ]}

Se han descrito células HD en muchas especies animales diferentes, incluyendo ratas, ratones, primates no humanos ^{[ 40 ]} y murciélagos ^{[ 41 ]} . En los murciélagos, el sistema HD es tridimensional, y no solo a lo largo del plano horizontal como en los roedores. También existe una red neuronal similar a HD en la drosophila, en la que las células HD están dispuestas anatómicamente a lo largo de un anillo.

• Células de visión espacial , contraparte del campo visual en el hipocampo de los primates.
• Lista de los distintos tipos de células en el cuerpo humano adulto.

• Blair, HT; Cho J; Sharp PE (1998). "Función del núcleo mamilar lateral en el circuito de dirección de la cabeza de la rata: un estudio combinado de registro de unidad única y lesión" . Neuron . 21 ( 6): 1387– 1397. doi : 10.1016/S0896-6273(00)80657-1 . PMID 9883731. S2CID 848928 .  
• Para una revisión del sistema HD y del sistema de campo de lugar, véase Muller (1996): "Un cuarto de siglo de células de lugar", Sharp et al. (2001): "La base anatómica y computacional de la señal HD de la rata".