precesión de fase

Patrones de disparo espacial de 8 células de lugar registradas en la capa CA1 del hipocampo del cerebro de una rata. Los puntos indican las posiciones (campos de lugar) donde se registraron potenciales de acción mientras la rata se movía de un lado a otro a lo largo de una pista, y el color indica qué neurona emitió ese potencial de acción.

Potenciales de acción (uno en el recuadro) registrados a partir de una sola célula de lugar durante una ráfaga de actividad.

Una onda theta del EEG

La precesión de fase es un proceso neurofisiológico en el que el momento de activación de los potenciales de acción de las neuronas individuales se produce progresivamente antes en relación con la fase de la oscilación del potencial de campo local con cada ciclo sucesivo. En las células de lugar , un tipo de neurona que se encuentra en la región hipocampal del cerebro , se cree que la precesión de fase desempeña un papel fundamental en la codificación neuronal de la información. John O'Keefe , quien posteriormente compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2014 por su descubrimiento de que las células de lugar ayudan a formar un "mapa" de la posición del cuerpo en el espacio, codescubrió la precesión de fase con Michael Recce en 1993. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Las células piramidales del hipocampo llamadas células de lugar desempeñan un papel importante en la autolocalización durante el movimiento en distancias cortas. ^{[ 3 ]} Cuando una rata se mueve por un camino, las células de lugar individuales disparan potenciales de acción a una tasa aumentada en posiciones particulares a lo largo del camino, denominadas "campos de lugar". La tasa de disparo máxima de cada célula de lugar —con potenciales de acción que ocurren en ráfagas rápidas— ocurre en la posición codificada por esa célula; y esa célula dispara solo ocasionalmente cuando el animal está en otras ubicaciones. ^{[ 4 ]} Dentro de un camino relativamente pequeño, las mismas células se activan repetidamente cuando el animal regresa a la misma posición.  

Aunque la codificación de frecuencia simple (la codificación de información basada en si las neuronas disparan más rápido o más lento) resultante de estos cambios en las frecuencias de disparo puede explicar parte de la codificación neuronal de la posición, también existe un papel destacado para la sincronización de los potenciales de acción de una sola célula de lugar, en relación con el disparo de las células cercanas en la población local . ^{[ 5 ] [ 6 ]} A medida que la población más grande de células dispara ocasionalmente cuando la rata está fuera de los campos de lugar individuales de las células, los patrones de disparo se organizan para ocurrir sincrónicamente, formando oscilaciones de voltaje ondulatorias . Estas oscilaciones son medibles en potenciales de campo locales y electroencefalografía (EEG). En la región CA1 del hipocampo, donde se ubican las células de lugar, estos patrones de disparo dan lugar a ondas theta . ^{[ 7 ]} Las oscilaciones theta se han descrito clásicamente en ratas, pero está surgiendo evidencia de que también ocurren en humanos. ^{[ 8 ]}

En 1993, O'Keefe y Recce descubrieron una relación entre la onda theta y los patrones de disparo de las células de lugar individuales. ^{[ 1 ]} Aunque los potenciales de acción ocasionales de las células cuando las ratas estaban fuera de los campos de lugar ocurrían en fase con (en los picos de) las ondas theta, las ráfagas de espigas más rápidas provocadas cuando las ratas alcanzaban los campos de lugar estaban fuera de sincronía con la oscilación. A medida que una rata se acercaba al campo de lugar, la célula de lugar correspondiente disparaba ligeramente antes del pico de la onda theta. A medida que la rata se acercaba más y más, cada potencial de acción sucesivo ocurría cada vez más temprano dentro del ciclo de la onda. En el centro del campo de lugar, cuando la célula disparaba a su tasa máxima, el disparo se había adelantado lo suficiente como para estar en antifase con el potencial theta (en el fondo, en lugar del pico, de la forma de onda theta). Luego, a medida que la rata continuaba moviéndose más allá del campo de lugar y la descarga celular se ralentizaba, los potenciales de acción seguían ocurriendo progresivamente antes en relación con la onda theta, hasta que volvían a sincronizarse con la onda, alineándose ahora con un pico de onda antes que antes. O'Keefe y Recce denominaron a este adelanto en relación con la fase de la onda "precesión de fase". Estudios posteriores demostraron que cada vez que una rata entraba en un área completamente diferente y los campos de lugar se remapeaban , las células de lugar volvían a sincronizarse en fase con el ritmo theta. ^{[ 9 ]} Ahora se acepta ampliamente que la descarga celular en antifase que resulta de la precesión de fase es un componente importante de la codificación de información sobre el lugar. ^{[ 3 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 10 ]}

Han existido teorías contradictorias sobre cómo las neuronas del hipocampo y sus alrededores generan ondas theta y, en consecuencia, dan lugar a la precesión de fase. A medida que estos mecanismos se fueron comprendiendo mejor, la existencia de la precesión de fase fue cada vez más aceptada por los investigadores. ^{[ 10 ]} Esto, a su vez, planteó la cuestión de si la precesión de fase podría observarse en otras regiones del cerebro, con otros tipos de circuitos celulares , o si la precesión de fase era una propiedad peculiar del tejido hipocampal. ^{[ 10 ]} El hallazgo de que la precesión de fase de las ondas theta también es una propiedad de las células de la red en la corteza entorrinal demostró que el fenómeno existe en otras partes del cerebro que también median información sobre el movimiento. ^{[ 11 ]}

La precesión de fase de la onda theta en el hipocampo también desempeña un papel en algunas funciones cerebrales que no están relacionadas con la ubicación espacial. Cuando se entrenó a ratas para saltar hasta el borde de una caja, las células de lugar mostraron precesión de fase de forma similar a como lo hacen durante el movimiento a lo largo de una trayectoria, pero un subconjunto de estas células mostró una precesión de fase relacionada con el inicio del salto, independientemente de la ubicación espacial, y no relacionada con la posición durante el salto. ^{[ 12 ]}

Se ha planteado la hipótesis de que la precesión de fase en la corteza entorrinal surge de un proceso de red atractora , de modo que dos representaciones neuronales secuenciales dentro de un solo ciclo de la oscilación theta pueden vincularse temporalmente entre sí en el hipocampo, como recuerdos episódicos . ^{[ 13 ]}