Un nuevo estudio identifica una región del tálamo como una fuente clave de señales que codifican experiencias pasadas en el neocórtex.
El cerebro codifica la información recopilada por nuestros sentidos. Sin embargo, para percibir nuestro entorno e interactuar de manera constructiva con él, estas señales sensoriales deben interpretarse en el contexto de nuestras experiencias anteriores y objetivos actuales. En el último número de Science, un equipo de científicos dirigido por el Dr. Johannes Letzkus, líder del grupo de investigación del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro, identificó una fuente clave de esta información descendente dependiente de la experiencia.
El neocórtex es el área más grande del cerebro humano. Se ha expandido y diferenciado enormemente durante la evolución de los mamíferos, y se cree que media muchas de las capacidades que distinguen a los humanos de sus parientes más cercanos. Además, las disfunciones de esta área también juegan un papel central en muchos trastornos psiquiátricos. Todas las funciones cognitivas superiores del neocórtex se habilitan al reunir dos flujos distintos de información: un flujo 'de abajo hacia arriba' que transporta señales del entorno circundante y un flujo 'de arriba hacia abajo' que transmite información generada internamente que codifica nuestras experiencias anteriores y objetivos actuales.
"Décadas de investigación han esclarecido cómo se procesan las entradas sensoriales del entorno. Sin embargo, nuestro conocimiento de la información generada internamente está todavía en su infancia. Esta es una de las mayores lagunas en nuestra comprensión de funciones cerebrales superiores como la percepción sensorial", dice Letzkus. Esto motivó al equipo a buscar las fuentes de estas señales descendentes. "Trabajos anteriores realizados por nosotros y muchos otros científicos habían sugerido que la capa superior del neocórtex es probablemente un sitio clave que recibe entradas que llevan información de arriba hacia abajo. Tomar esto como punto de partida nos permitió identificar una región del tálamo: un área del cerebro incrustada profundamente en el prosencéfalo, como una fuente candidata clave de dicha información interna".
Motivada por estas observaciones, la Dra. M. Belén Pardi, primera autora del estudio e investigadora postdoctoral en el laboratorio Letzkus, ideó un enfoque innovador que le permitió medir las respuestas de sinapsis talámicas únicas en la neocorteza de ratón antes y después de un paradigma de aprendizaje. "Los resultados fueron muy claros", recuerda Pardi. "Mientras que los estímulos neutrales sin relevancia fueron codificados por respuestas pequeñas y transitorias en esta vía, el aprendizaje impulsó fuertemente su actividad e hizo que las señales fueran más rápidas y sostenidas en el tiempo". Esto sugiere que las sinapsis talámicas en la neocorteza codifican la experiencia previa del animal. "Estábamos realmente convencidos de que este es el caso cuando comparamos la fuerza de la memoria adquirida con el cambio en la actividad talámica: Esto reveló una fuerte correlación positiva, lo que indica que las entradas del tálamo codifican de manera prominente la relevancia conductual aprendida de los estímulos”, dice Letzkus.
Pero, ¿es este mecanismo selectivo para estas señales descendentes relacionadas con la memoria? Los estímulos sensoriales pueden ser relevantes por lo que hemos aprendido a asociar con ellos, pero también simplemente por sus propiedades físicas. Por ejemplo, los sonidos más fuertes son los que atraen más fácilmente la atención tanto en humanos como en animales. Sin embargo, esta es una función de bajo nivel que tiene poco que ver con la experiencia previa. "Curiosamente, encontramos mecanismos de codificación muy diferentes, de hecho opuestos, para esta forma de relevancia ascendente", dice Pardi.
Dada su importancia central, los científicos especularon que la forma en que se reciben estas señales en el neocórtex debe estar estrictamente regulada. Pardi y sus colaboradores abordaron esto en experimentos adicionales, combinados con modelado computacional en colaboración con el laboratorio del Dr. Henning Sprekeler y su equipo en Technische Universität Berlin. De hecho, los resultados identificaron un mecanismo previamente desconocido que puede sintonizar con precisión la información a lo largo de esta vía, identificando un tipo especializado de neurona en la capa superior del neocórtex como un guardián dinámico de estas señales de arriba hacia abajo.
"Estos resultados revelan las entradas del tálamo al neocórtex sensorial como una fuente clave de información sobre las experiencias pasadas que se han asociado con estímulos sensoriales. Estas señales de arriba hacia abajo se alteran en una serie de trastornos cerebrales como el autismo y la esquizofrenia, y nuestra esperanza es que los presentes hallazgos también permitirán una comprensión más profunda de los cambios desadaptativos que subyacen a estas severas condiciones", concluye Letzkus.
Más información: M. Belén Pardi et al. A thalamocortical top-down circuit for associative memory. Science (2020). DOI: 10.1126/science.abc2399
Nota original: Max-Planck-Gesellschaft