Les bases neuronals de l’orientació (O’Keefe, Moser, Moser: Premi Nobel de Fisiologia, 2014)

Fa unes setmanes parlàvem del premi Kavli de neurociència, un dels guardonats del qual fou John O’Keefe. O’Keefe repeteix ara amb el Premi Nobel de Fisiologia. En efecte, el comunicat de l’Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ha concedit a O’Keefe la meitat del Premi, mentre l’altra meitat se la reparteixen May-Britt Moser (un quart) i Edvard I. Moser (un quart). Tots tres el reben “per les llurs descobertes de cèl·lules que constitueixen un sistema de posicionament en el cervell“.

John O’Keefe

John O’Keefe (*NYC, 18.11.1939) va nàixer al si d’una família irlandesa. Graduat al City College of New York, se n’anà a Montréal a estudiar psicologia fisiològica a la McGill University, dins del Departament de Donald O. Hebb (1904-1985). El seu director de tesi fou Ronald Melzack (*Montréal, 19.7.1929). Completat el doctorat, passà al University College London en el 1967, on treballà al costat de Patrick Wall (1925-2001). Seria a l’UCL on desenvoluparia la seva carrera científica (és ciutadà dels Estats Units, per naixença, i del Regne Unit, per naturalització). El 1987 esdevingué professor de l’UCL, amb tasques docents al Departament d’Anatomia i a l’Institut de Neurociència Cognitiva.

May-Britt Moser

May-Britt i Edvard Moser

May-Britt (*Fosnavåg, Noruega, 4.1.1963) es va graduar en psicologia a la Universitat d’Oslo (1990). Completà el doctorat al mateix centre en el 1995 sota la direcció de Per Andersen (*1930). Ja en 1994 començà una estada amb Richard Morris (*1948) en el Centre de Neurociència de la Universitat d’Edinburgh, on s’hi va estar fins el 1996. També realitzà una breu estada en el 1996 en el laboratori de John O’Keefe. De retorn a Noruega, esdevingué professora associada de psicologia biològica en la Universitat Noruega de Ciència i Tecnologia (NTNU), a Trondheim. En el 2000 accedí a una plaça titular. En el 2002 participà en la fundació del Centre de Biologia de la Memòria de l’NTNU i, en el 2007, de l’Institut Kavli de Neurociència de Sistemes (2007).

Edvard I. Moser

Evard I. Moser (*Ålesund, Noruega, 27.4.1962) es va graduar en matemàtica i estatística a la Universitat d’Oslo en el 1985 i, al mateix centre, en el 1990, de psicologia i de neurobiologia. Fou en el decurs d’aquests darrers estudis quan conegué May-Britt, amb qui es casà. El matrimoni seguí una trajectòria paral·lela. Els dos es doctoraren en el 1995 sota la direcció de Per Andersen. Després de l’estada comuna a Edinburgh i a Londres, els dos obtingueren places a l’NTNU de Trondheim, però Edvard I. Moser aconseguí la titularitat abans, el 1998.

La percepció de la posició i orientació: les bases neuronals

La qüestió de com percebem la nostra posició en l’espai, de com ens orientem, ha estat enfocada des de diferents perspectives. Fa uns dies, en parlar sobre els Ig Nobel, ens referíem a l’estudi de Hart et al. (2013) sobre la percepció del camp magnètic en gossos. La fisiologia sensorial comparada ens mostra la diversitat d’altres estímuls ambientals que contribueixen a l’orientació i a la navegació en les més diverses espècies animals. El sistema vestibular de la nostra orella interna forneix, també en l’ésser humà, informació per a l’equilibriocepció. El sentit cinestèsic, la propiocepció, aporta a l’escorça parietal del cervell informació sobre les posicions relatives de parts del cos. L’ecolocalització dels ratpenats, l’electroorientació en peixos elèctrics com el Gymnotus, la brúixola solar que empren les abelles en els seus vols, els senyals solars i estelars que guien la navegació d’aus migratòries han estat models clàssics en l’estudi de les bases sensorials de l’orientació.

Però la fisiologia sensorial és únicament una part de l’aspecte. La percepció de l’espai i del temps requereix el processament cerebral d’aquesta informació. Com es fa aquest processament? Edward C. Tolman (1886-1959) postulà en el 1948 l’existència d’uns mapes cognitius d’acord amb experiments realitzats en rates i humans. En familiaritzar-nos progressivament en un nou ambient, a través de l’exploració, es forma en el nostre cervell un mapa d’aquest entorn.

A partir del 1958, el desenvolupament de microelèctrodes implantables de manera crònica possibilità relacionar comportaments complexos amb patrons d’activitat neural. El laboratori de Patrick Wall, que treballava inicialment en la percepció del dolor (nocicepció), fou pioner en aquestes tècniques. Allà les va aprendre John O’Keefe, que les aplicà a la qüestió de l’orientació. Era sabut que lesions en l’hipocamp fan que les rates adquireixen un comportament hiperactiu en ambients nous, alhora que puntuaven pitjor en tasques espacials. Implantant microelèctrodes en l’hipocamp de rates, John O’Keefe & Jonathan Dostrovsky (1971) fornien proves que semblaven donar suport a la hipòtesi de Tolman sobre mapes cognitius, concretament sobre el rol de l’hipocamp com a mapa espacial.

Localització de l’hipocamp en el cervell humà

O’Keefe i Dostrovsky definiren amb aquests estudis unes “neurones de localització” (place cells), d’acord amb el seu patró de resposta a estímuls sensorials. Aquestes neurones eren situades en la regió CA1, en la partició dorsal de l’hipocamp. O’Keefe (1976) classificà aquestes neurones (o, emprant una terminologia més prudent, “unitats”) en “unitats d’emplaçament” i “unitats de desplaçament”, d’acord amb com es comportaven elèctricament en relació al comportament de l’organisme (de la rata) en tests de laberint. Cada “place unit” tan sols eren activa quan la rata es trobava en un punt concret del laberint. J. O’Keefe & D.H. Conway (1978) registraren el patró d’activació de trenta-quatre d’aquestes “unitats” en dos ambients: 1) una plataforma en la qual la rata no havia rebut ni ensinistrament ni recompensa; 2) un laberint elevat en T amb un conjunt de cortines negres en el que la rata havia estat ensinitrada per a la discriminació de lloc d’acord amb pistes sensorials (un llum, una carta, un ventilador i un brunzidor). Aquestes i altres experiències conduirien a postular un model del funcionament de l’hipocamp com a mapa cognitiu, que John O’Keefe i Lynn Nadel presentaren en un volum publicat en el 1978.

El grup d’O’Keefe en els anys següents estudià el rol d’aquests mapes cognitius en la memorització espacial (J. O’Keefe & A. Speakman, 1987). Hom seguí els processos relacionats amb l’adaptació a nous ambients, i la consegüent reelaboració del mapa cognitiu (Lever et al., 2002).

Paral·lelament, la caracterització de les “cèl·lules”, “unitats” o “camps” de localització de l’àrea CA1 de l’hipocamp obria la qüestió de com es formen. La primera hipòtesi era suposar que la formació i transformació d’aquests camps tenia lloc d’acord amb la informació sensorial que arribava a l’hipocamp. Però aviat hom proposaria un model més complex de processament de la informació sensorial que conduïa a la generació del mapa cognitiu.

El laboratori de Per Oskar Andersen tenia una llarga trajectòria en l’estudi del rol de l’hipocamp en l’aprenentatge i la memòria. Fou en el seu laboratori que Terje Lømo en el 1966 observà per primera vegada el fenomen de la potenciació de la transmissió sinàptica en la via perforant cap a cèl·lules del grànul dentat en l’hipocamp de conills anestesiat. En la primera meitat dels anys 1990, dos doctorands de Per Andersen, la parella formada per May Britt i Edvard I. Moser també treballaven en hipocamp. Part de la recerca d’E. I. Moser fou publicada en un article a Science del 1993. Entre els models que utilitzaven hi havia la tasca de navegació en aigua per a rates, model desenvolupat per Richard G. M. Morris (1981). Els Moser feren l’estada post-doctoral amb el mateix Morris a Edinburgh i, després, amb O’Keefe a Londres. Retornats a Noruega, emprengueren la tasca de determinar el rol dels senyals aferents de la regió CA1 en la formació dels mapes cognitius.

El primer lloc a recercar, era el còrtex entorrinal, d’on procedeix en rates la major part dels senyals nerviosos que entren en l’hipocamp. Concretament, les fibres del còrtex entorrinal projecten principalment cap al gir dentat de l’hipocamp, que connecta alhora amb la regió CA3, la qual ho fa amb la regió CA1. L’eliminació de les connexions entre CA3 i CA1, però, no afectaren la formació de “cèl·lules de lloc” en la regió CA1 però sí el record espacial (Brun et al. (2002)). Això els portà a postular l’existència en l’hipocamp de dos circuits de memòria, funcionalment separables, en l’hipocamp. El grup de Moser se sentí refermat en la idea que el còrtex entorrinal, en tant que interfície entre el neocòrtex i l’hipocamp, havia de jugar un paper central en la memòria espacial. Fyhn et al. (2004) presentaren mesures de la modulació espacial de capes del còrtex entorrinal mitjà, que assenyalaven el rol d’aquesta regió en “l’espacialització” de la informació sensorial, que després es projectaria en la regió hipocampal CA1. Hafting et al. (2005) introduïen ja el concepte de “cèl·lula reixa”, en analogia al de “cèl·lula lloc” d’O’Keefe.

Superposició de la trajectòria espacial seguida per una rata (línia negra) i l’activació d’una “cèl·lula de reixa” del seu còrtex entorrinal

Les cèl·lules de reixa, a diferència de les cèl·lules de lloc, no es disparen en un lloc concret, sinó seguint un patró espacial “en reixa”. Es disparen en diferents llocs, però aquests llocs formen entre ells una mena de reixa hexagonal. En una mateixa regió del còrtex entorrinal les diferents cèl·lules presenten diferents fases de resposta, bo i mantenint la mida i l’orientació de la xarxa hexagonal. Els camps hexagonals es fan més grans en la part ventral del còrtex.

La formació de la reixa hexagonal és conseqüència de l’establiment de xarxes neuronals complexes. És damunt d’aquestes xarxes que arriben els senyals pròpiament sensorials o motors. Solstad et al. (2006) proposaren un model matemàtic de com la xarxa hexagonal del còrtex entorrinal es projectava en forma de “cèl·lules de lloc” en la regió CA1 de l’hipocamp. Seguí després la descoberta d’un tipus neuronal del còrtex entorrinal que s’activava quan l’animal s’apropava als límits d’un ambient tancat, les anomenades “cèl·lules de límit” (Solstad et al., 2006).

El grup de recerca dels Moser es troba immers encara en aquesta recerca. El rol de l’hipocamp i del còrtex entorrinal en la percepció de l’espai i de la memòria espacial també els ha dut a investigar les patologies de la memòria (Cacucci et al., 2008). L’aspiració és que desxifrar les computacions neurals implicades en l’orientació i posicionament servirà de base per al coneixement de moltes altres funcions cognitives, tant del seu funcionament fisiològic com dels aspectes patològics.

També és actiu el grup de John O’Keefe. Recentment, han publicat una recerca de com la geometria ambiental afecta la simetria de les cèl·lules de reixa (Krupic et al., 2014). Avui com fa cinquanta anys, l’interès d’O’Keefe és rastrejar les bases neurals de la cognició i de la memòria espacials, recolzat en els models animals i humans (ús de la realitat virtual associada a la imatgeria cerebral) i en les simulacions (models de xarxes neuronals, navegació de robots, etc.).

Lligams:

John O’Keefe (UCL)

El grup de recerca dels Moser.

Aquesta entrada ha esta publicada en 5. La Intel·ligència. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.