Encontrar el camino hacia un lugar conocido parece una tarea sencilla hasta que desaparecen las señales que permiten reconocerlo. Podemos dirigirnos hacia un coche aparcado, regresar a casa por calles distintas o buscar una salida sin tener el destino a la vista. En esas situaciones, el cerebro debe relacionar la posición actual con un lugar conservado en la memoria y convertir esa relación en decisiones sucesivas sobre qué dirección tomar.

El hipocampo ocupa una posición central en este problema. Sus llamadas células de lugar se activan de acuerdo con la posición que ocupa un animal en el espacio y forman parte de lo que suele describirse como un mapa cognitivo. Pero conocer dónde estamos es solo una parte de la navegación. Para llegar a algún sitio hay que evaluar lo que queda por delante. Un estudio de Changmin Yu y sus colaboradores, publicado en Nature Neuroscience, ha examinado con especial detalle qué ocurre en la actividad del hipocampo mientras un animal afronta precisamente esa tarea. 

Un mapa que se despliega en milisegundos

Las células de lugar no se activan únicamente como puntos aislados de un mapa. Mientras un animal se mueve, pueden hacerlo en secuencias extremadamente rápidas dentro de las oscilaciones theta, un ritmo cerebral de aproximadamente 6 a 12 ciclos por segundo. En cada uno de esos ciclos, la actividad de distintas células puede representar sucesivamente varias posiciones. Es lo que se conoce como theta sweep, o barrido theta. 

Estos barridos ya habían sido relacionados con posibles trayectorias futuras. Podían extenderse hacia delante, alternar entre diferentes lados de un punto de decisión o verse influidos por lugares relevantes. El problema era determinar qué representaban exactamente. Una secuencia que apunta hacia delante podría limitarse a anticipar el movimiento que el animal está a punto de realizar. También podría depender de hacia dónde dirige la cabeza o de algún estímulo perceptible. Distinguir esas posibilidades resulta difícil porque, cuando queremos llegar a un sitio, normalmente miramos y nos desplazamos hacia él.

Yu y sus colaboradores aprovecharon para resolverlo un escenario experimental especialmente útil: el llamado laberinto Honeycomb, formado por 61 plataformas hexagonales. Los animales habían aprendido la posición de una recompensa que no estaba señalizada visualmente y debían alcanzarla mediante sucesivas elecciones entre plataformas. La geometría de la prueba permitía separar tres variables que suelen coincidir: hacia dónde miraba la rata, hacia dónde se movía y dónde se encontraba la meta recordada. 

El hipocampo apunta hacia una meta que no está a la vista

Los investigadores analizaron la actividad de las células de lugar de la región CA1 del hipocampo y reconstruyeron mediante decodificación bayesiana las posiciones representadas por esas poblaciones neuronales. En cinco animales identificaron 137.651 barridos theta. El resultado permitió distinguir con claridad la meta de la conducta motora inmediata: las secuencias mostraban una marcada orientación hacia el destino recordado, incluso cuando la rata miraba o se desplazaba en otra dirección.

Esto cambia la interpretación de lo que está ocurriendo durante esos brevísimos episodios. El barrido theta no parece limitarse a anticipar el siguiente movimiento del cuerpo. La representación neuronal avanza hacia un lugar relevante que el animal conoce y al que intenta llegar. Los autores encontraron una asociación fuerte con la dirección de la meta, una asociación menor con la dirección del movimiento y mucho más débil con la orientación de la cabeza. Incluso después de eliminar estadísticamente el efecto del movimiento, las secuencias continuaban concentrándose hacia el objetivo. 

La información tampoco parece proceder simplemente de unas pocas neuronas que disparan con mayor intensidad cuando el animal se orienta hacia el destino. Los análisis indican que el efecto surge de la dinámica coordinada de poblaciones de neuronas. En otras palabras, lo relevante está en el orden y la organización temporal de la actividad colectiva. 

Hay además otra propiedad interesante: la longitud de los barridos aumentaba con la distancia a la meta. Por tanto, estas secuencias pueden contener información relacionada tanto con la dirección como con la distancia del objetivo. Cuando los investigadores cambiaron la ubicación de la recompensa, la actividad terminó orientándose preferentemente hacia la nueva posición y no hacia la anterior. 

Antes de acertar, el cerebro ya marca mejor el camino

Quedaba una cuestión decisiva. Que una señal neuronal esté relacionada con un destino no significa necesariamente que participe en la decisión que permite alcanzarlo. Para acercarse a esa relación, los investigadores examinaron los cinco segundos anteriores a cada elección entre plataformas y compararon lo sucedido antes de las decisiones correctas e incorrectas.

Antes de que el animal elija por dónde continuar, la actividad del hipocampo ya se orienta hacia el lugar que busca.

Aquí aparece uno de los resultados centrales del trabajo. Los barridos theta estaban más fuertemente alineados con la dirección de la meta antes de las elecciones correctas. El análisis incluyó 24.200 barridos previos a decisiones correctas y 7.938 anteriores a decisiones incorrectas. Los autores controlaron además el efecto de la distancia al objetivo, porque los animales cometían más errores cuando se encontraban lejos de él. La diferencia persistió.

El resultado encaja especialmente bien con la idea de una planificación en curso: antes de que el animal escoja por dónde continuar, la actividad del hipocampo representa con mayor precisión hacia dónde se encuentra aquello que busca. Los investigadores tampoco encontraron una correlación significativa entre la dirección de esos barridos y los movimientos o giros de cabeza posteriores que pudiera explicar el fenómeno como una simple preparación motora. 

Conviene mantener una cautela importante. El experimento muestra una relación estrecha entre la orientación de los barridos y el éxito posterior, pero todavía no demuestra causalmente que esas secuencias sean necesarias para escoger correctamente. Los propios autores señalan que esa cuestión requerirá intervenciones capaces de alterar fases concretas de theta o las dinámicas secuenciales de los circuitos entorrinales e hipocampales. El mecanismo propuesto es sólido como candidato; demostrar su necesidad será otro experimento.

Del movimiento al recuerdo de una ruta

El estudio fue más allá de los momentos en que las ratas estaban desplazándose. Durante periodos de inmovilidad, el hipocampo produce otras secuencias rápidas asociadas a las llamadas ondas agudas con ripples. Tradicionalmente se habla de replay porque estas secuencias pueden reproducir recorridos relacionados con experiencias anteriores.

El mapa cerebral del espacio contiene algo más que nuestra posición: también puede incorporar la dirección de aquello que queremos alcanzar.

Yu y sus colaboradores identificaron 537 de estos episodios durante periodos de inmovilidad. También aquí las trayectorias reconstruidas tendían a avanzar hacia la meta, y eran más largas que los barridos theta observados durante el movimiento. Esto lleva a una posibilidad interesante: algunos episodios de replay podrían ser algo más que la repetición de caminos físicamente recorridos. Los autores plantean que podrían enlazar y consolidar trayectorias orientadas hacia objetivos que ya habían aparecido fragmentariamente durante los barridos theta.

La interpretación abre una conexión entre dos escalas de funcionamiento del hipocampo. Mientras el animal se mueve, las secuencias theta proporcionarían vectores breves y flexibles hacia lugares relevantes; durante la inmovilidad, otras secuencias podrían contribuir a estabilizar esa información dentro del conocimiento espacial. El modelo computacional desarrollado por los investigadores muestra, además, que una red neuronal con una entrada direccional procedente de la meta puede reproducir varias de las propiedades observadas experimentalmente. 

Un mapa definido también por aquello que buscamos

El trabajo amplía así la imagen clásica del mapa cognitivo. Representar el espacio no consiste únicamente en mantener una especie de cartografía neuronal de posiciones conocidas. Para navegar con flexibilidad hace falta relacionar dónde estamos, dónde queremos llegar y qué posibilidades existen entre ambos puntos. Los barridos theta parecen proporcionar al menos una parte de esa operación.

Una trayectoria neuronal puede apuntar hacia el destino incluso cuando el cuerpo se mueve en otra dirección.

Los resultados proceden de ratas y de tareas espaciales muy controladas, de modo que trasladarlos directamente a la planificación humana sería prematuro. Sin embargo, los ritmos theta y las representaciones semejantes a las células de lugar aparecen en distintos mamíferos. Los autores consideran que este procesamiento secuencial orientado a objetivos podría reflejar un principio computacional más general, aunque determinar su alcance exigirá nuevas pruebas. 

El hallazgo deja una imagen del hipocampo especialmente sugerente porque puede formularse sin recurrir a una metáfora exagerada. Mientras el animal decide, su actividad neuronal recorre en fracciones de segundo posiciones que todavía no ocupa y las organiza alrededor de un destino conservado en la memoria. Antes de dar el siguiente paso, una parte del cerebro ya está ensayando hacia dónde debería conducir.