Okeef, el premio Nobel y el ‘GPS cerebral’

En marzo de 1986, al regreso de una estancia en el departamento de psicología experimental de la universidad de Oxford, realicé una visita al laboratorio del neurocientífico John O’keef, en el University College de Londres. Allí se profundizaba entonces en el descubrimiento de unas neuronas del cerebro de la rata que se activaban selectivamente cuando el animal se situaba en determinados lugares del espacio en que se movía. Como la mayoría de científicos del ramo, yo estaba sorprendido por ese descubrimiento y quise aprovechar la ocasión para conocer de primera mano el lugar y el modo en que tenía lugar el inusitado hallazgo. Recuerdo que O’keef me recibió muy amablemente y me enseñó la habitación de su laboratorio donde se hacían los experimentos. El lugar me sorprendió, pues era una especie de espacio circular, de aproximadamente metro y medio de diámetro, rodeado por cortinas negras, donde colgaban del techo objetos varios como bolígrafos o cepillos de dientes que supe servían como puntos de referencia para que las ratas pudieran orientarse cuando se movían en ese espacio.

Pero lo que a mí más me interesaba era conocer los dispositivos mecánicos desarrollados en aquel laboratorio para poder alcanzar con electrodos neuronas individuales del interior del pequeño cerebro de la rata y registrar su actividad. O’keef me enseñó uno de sus dispositivos, un complejo microdrive que llamó poderosamente mi atención por lo sofisticado que me pareció en aquel tiempo. Me explicó sus características y funcionamiento y yo, concibiendo la posibilidad de desarrollarlo en nuestro propio laboratorio de la Universidad Autónoma de Barcelona, le pedí que me regalara uno de ellos ya usado, uno que ya no le sirviera. Al parecer, eso ya era mucho pedir, por lo que él, amablemente, me lo negó con alguna justificación que ahora no recuerdo. Pero yo no podía irme de allí con las manos vacías, por lo que cuando nos despedimos y dejé el laboratorio me acuerdo que me fui inmediatamente a un parque, busqué un lugar cómodo donde sentarme, saqué mi cuaderno de notas técnicas utilizado en Oxford y empecé a dibujar el mencionado microdrive con todo el detalle que mi memoria y habilidad pictórica me lo permitió. Ahora he sentido una especial emoción, cuando, tras conocer que John O’keef y otros colegas han sido galardonados con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por aquellos experimentos, he podido encontrar aquel dibujo en mis viejos cuadernos de notas científicas (dibujo adjunto).

Dispositivos como el mencionado son los que originalmente sirvieron a O’keef y otros investigadores para descubrir las llamadas células de lugar (place cells) en el hipocampo de la rata, una región del cerebro implicada en la formación de la memoria. Las células de lugar son neuronas que se activan, es decir, que emiten pequeñas descargas eléctricas, cuando el animal se halla en un determinado lugar de su entorno, como si cada una o un conjunto de esas neuronas hubiesen aprendido a representar ese lugar. Con la práctica y el aprendizaje esas neuronas pueden cambiar su representación, dejando de representar un lugar para representar otro diferente. Además, las células de lugar pueden asociarse para representar una trayectoria o ruta planeada por las ratas. Eso significa que mediante estas células el hipocampo puede funcionar como un GPS que le indica a la rata no sólo dónde está sino cual es el camino a seguir para llegar a un determinado lugar.

Aunque parezca increíble, la actividad del hipocampo de una rata puede servir a los investigadores para adivinar su intenciones cuando está a punto de decidir si tomar el camino de la derecha o el de la izquierda para llegar a la comida en un laberinto. Se ha comprobado que justo antes de tomar esa decisión las neuronas de su hipocampo se activan en las diferentes secuencias correspondientes a la trayectoria de cada posible camino. Se observan además más reactivaciones de ese tipo cuando la rata acierta en la elección que cuando se equivoca. Eso indica que la rata antes de decidir considera mentalmente las posibles opciones y sólo deja de hacerlo cuando ya tiene mucha práctica y alberga pocas dudas sobre cuál es el camino correcto, es decir, cuando ya ha aprendido bien la tarea.

Pero la historia es más compleja, porque gracias a las investigaciones del también galardonado matrimonio May-Britt y Edvard Moser, ahora sabemos que en la representación del espacio en el cerebro intervienen también otras células muy especiales descubiertas originalmente junto al hipocampo, en la corteza entorrinal de roedores murciélagos y monos. Son las células de cuadrícula (grid cells), unas neuronas que se diferencian de las células de lugar en que su actividad está relacionada no con una única localización donde la rata se halle sino con un conjunto de localizaciones regularmente organizadas. Para entender cómo funcionan estas células imaginemos que hemos instalado un electrodo en una de ellas para registrar su actividad cuando la rata se mueve en un espacio. Si sobre un plano de ese espacio marcamos cada uno de los lugares donde está la rata cada vez que esa misma célula se activa, obtendremos un dibujo de puntos que vistos en conjunto forman una cuadrícula.

Lo extraordinariamente llamativo de las células de cuadrícula es que su estructura funcional es muy estable, pues no cambia en el tiempo ni depende del contenido de la imagen que el animal ve. Es decir, su organización funcional no responde a regularidades del entorno ni a información procedente del mismo, sino a una especie de plantilla mental interna que el animal parece tener en su cerebro y cuya función persiste incluso en la oscuridad. Llama también la atención que las células de cuadrícula suelen activarse cuando la rata explora una imagen sólo con la vista, lo que nos induce a pensar que podrían servir para representar zonas del espacio en su cerebro incluso cuando está quieta, sin moverse. Para comprender mejor su funcionamiento podemos imaginar que son neuronas cuyas representaciones cuadriculares sirven para sobreponer en ellas la información del espacio circundante generada por los movimientos que hace la rata en el mismo y así poder configurarlo y aprenderlo mejor, como cuando utilizamos papel cuadriculado para poder encuadrar mejor las proporciones y partes de un dibujo.

Las investigaciones recientemente realizadas en pacientes epilépticos con electrodos implantados en su cerebro por razones clínicas han permitido descubrir células de cuadrícula también en el cerebro humano. El conjunto de estas y otras investigaciones similares ha permitido una comprensión bastante precisa de los recursos y mecanismos que utiliza nuestro cerebro para representar el espacio en que nos movemos. Con la concesión del Premio Nobel a los mencionados investigadores, la Academia sueca ha reconocido la importancia de estos relevantes descubrimientos.

Ignacio Morgado Bernal es catedrático de Psicobiología en el Instituto de Neurociencia de la Universidad Autónoma de Barcelona. Es autor de “Aprender, recordar y olvidar: Claves cerebrales de la memoria y la educación” (Barcelona: Ariel 2014)