Cómo los mapas cognitivos ayudan a los animales a navegar por el mundo

La forma en que los animales se desplazan proporciona pistas sobre cómo el cerebro forma, almacena y recupera recuerdos

En La caza del Snark (1876), de Lewis Carroll, la desventurada tripulación de la caza del Snark se encontró con un desafío de navegación planteado por su capitán, el Campanero:

.

Había comprado un gran mapa que representaba el mar,
sin el menor vestigio de tierra:
Y la tripulación se alegró mucho cuando descubrió que era
Un mapa que todos podían comprender.

Refrescantemente despejado, el mapa de Bellman no tenía nada en él:

¡Otros mapas tienen esas formas, con sus islas y cabos!
Pero tenemos que dar las gracias a nuestro valiente capitán’
(Así protestaría la tripulación) ‘que nos ha comprado lo mejor –
Un blanco perfecto y absoluto!’

Incluso un mapa perfectamente en blanco, sin embargo, podría ser útil si tuviera una referencia de cuadrícula, algo que indicara la dirección de la brújula, una escala y un marcador de la posición actual. Lamentablemente, el mapa de Bellman no tenía ninguna de estas cosas:

‘¿Para qué sirven los Polos Norte y los Ecuadores de Mercator,
Trópicos, Zonas y Líneas Meridianas?’
Así gritaba el Campanero: y la tripulación respondía
‘¡Son meros signos convencionales! …’

Así pues, el mapa estaba realmente en blanco y no servía de mucho para navegar.

Los humanos llevamos muchos siglos cartografiando el espacio, y nuestros mapas han mejorado mucho a lo largo de este tiempo, de modo que ahora son muy útiles para navegar. En la antigüedad, mapas como el hermoso Mappa Mundi tenían elementos del paisaje -islas y cabos- que estaban dispuestos más o menos en la relación correcta entre sí; pero la escala era incorrecta, las formas de las costas eran erróneas y no existía la convención de colocar el Norte en la parte superior de la página, como hacemos hoy en día. Eran exquisitos como ilustraciones, pero poco útiles para navegar porque carecían de información métrica (medidas) como la distancia y la dirección. Tampoco tenían nada para medir distancias y direcciones desde, que en los mapas modernos se denominan puntos de referencia, líneas y planos. Sin embargo, a medida que los mapas evolucionaron a lo largo de los siglos, los cartógrafos añadieron información métrica en forma de dirección (Norte y Sur) y distancias (líneas de latitud y longitud), así como puntos de referencia (polos Norte y Sur), líneas de referencia (el Meridiano de Greenwich y el Ecuador) y, finalmente, cuando empezamos a movernos por encima y por debajo de la tierra, un plano de referencia (el nivel del mar). Un mapa con toda esta información es útil incluso sin islas ni cabos.

Los mapas son para los humanos, pero ¿cómo consiguen orientarse los animales, que empezaron a navegar millones de años antes de que se inventara el pergamino? ¿Tienen los cerebros animales (y humanos) un mapa y, en caso afirmativo, tiene islas y cabos, polos norte y ecuadores, líneas de referencia, etc.? Y si es así, ¿dónde está y cómo funciona? ¿Cómo podría una masa gelatinosa de protoplasma contener algo tan estructurado como un mapa?

Estas preguntas han intrigado a los biólogos durante muchas décadas, sobre todo porque los animales pueden realizar hazañas asombrosas como navegar desde el Polo Norte hasta el Sur y volver, como el charrán ártico; o volver a casa después de haber sido transportados a cientos de kilómetros de distancia, como la paloma mensajera. Los científicos del cerebro están empezando a comprender cómo los animales (tanto humanos como no humanos) determinan su ubicación. Existen mapas en el cerebro. Las propiedades de estos mapas, que los neurocientíficos denominan “mapas cognitivos”, han resultado ser muy intrigantes, y nos están ayudando a comprender no sólo cómo navegan los animales, sino también principios más generales sobre cómo el cerebro forma, almacena y recupera el conocimiento.

El neurocientífico John O’Keefe descubrió los mapas cognitivos en la década de 1970. Su investigación le valió una parte del Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2014. O’Keefe no buscaba mapas en el cerebro. Recién llegado al University College de Londres (UCL) procedente de la Universidad McGill de Canadá, en realidad estaba interesado en la memoria. En concreto, intentaba comprender un descubrimiento que habían hecho unos años antes el neurocirujano William Beecher Scoville y su colega, la neuropsicóloga Brenda Milner, que parecía aportar pistas sobre cómo se forman y almacenan los recuerdos. Scoville y Milner estaban fascinados por uno de los pacientes neuroquirúrgicos de Scoville, un joven conocido en el mundo por sus iniciales “HM”. Le habían operado para curarle la epilepsia y, trágicamente, había desarrollado amnesia. Scoville y Milner pensaron que su amnesia podía deberse a daños en el hipocampo. La idea de que el hipocampo pudiera estar relacionado con la memoria fue muy emocionante para los científicos del cerebro, ya que habían empezado a pensar que la memoria podría no tener una ubicación especial en el cerebro.

Los intentos anteriores de precisar dónde se almacenan los recuerdos habían fracasado estrepitosamente. A principios del siglo XX, el fisiólogo ruso Ivan Pavlov, que había estado estudiando el aprendizaje en perros, había sugerido que la memoria consiste en una compleja red de asociaciones formadas entre “representaciones” en el cerebro de un animal. La genialidad y el dominio de la idea de Pavlov hicieron que, durante muchas décadas, la visión predominante del aprendizaje fuera que incluso los comportamientos complejos podían explicarse simplemente por la formación de asociaciones entre los llamados estímulos y otros estímulos o respuestas. Famosamente, condicionó a los perros para que formaran una asociación entre el sonido de una campana y la aparición de comida. Traducido al lenguaje de la neurociencia, este mismo proceso de asociación consistía en la formación de conexiones entre las neuronas activadas por la campana, que podríamos decir que “representan” a la campana, y las neuronas activadas por la comida. Esta idea recibió un impulso cuando el psicólogo canadiense Donald Hebb sugirió que los recuerdos podían formarse cambiando las conexiones entre las neuronas simultáneamente activas en todo el cerebro, para facilitar su comunicación en el futuro: una idea sencilla y, sin embargo, profundamente influyente. Siguiendo la regla de Hebb, la actividad simultánea de la neurona de la campana y la neurona de la comida debería hacer que la conexión entre ambas se fortaleciera, de modo que la próxima vez que el animal oyera la campana, su neurona de la comida se estimularía con mayor facilidad: la recuperación de la memoria en acción.

La recuperación de la memoria en acción.

Los neurocientíficos especularon sobre cómo sería esto en términos físicos, en el propio cerebro. Cuando se activa una representación, por ejemplo al recuperar un recuerdo, ¿qué hacen realmente las neuronas? El cerebro es sólo un trozo de carne y hueso, y sin embargo nuestros recuerdos parecen películas reproducidas, muy gráficas y dinámicas. Está claro que no tenemos películas diminutas reproduciéndose en nuestro cerebro cuando pensamos o recordamos, así que ¿cómo podría funcionar esto realmente y en qué parte del cerebro ocurre?

La respuesta a todo esto es que las neuronas no tienen nada que ver con el cerebro.

La respuesta a todo esto ha sido una especie de Santo Grial para psicólogos y neurocientíficos. El psicólogo estadounidense Karl Lashley fue uno de los primeros investigadores en este campo. Siguió el planteamiento de Pavlov de estudiar el aprendizaje muy simple en condiciones estrictamente controladas, con la hipótesis de que si un animal aprendía una nueva asociación, debería ser posible encontrar el lugar de esta asociación en el cerebro haciendo pequeñas lesiones en él en puntos específicos, para ver con precisión cuándo el animal olvidaba de repente lo que acababa de aprender. Sus intentos fracasaron por completo, y en 1950 concluyó, con jocosa desesperación: “A veces siento, al revisar las pruebas de la localización del rastro de memoria, que la conclusión necesaria es que el aprendizaje simplemente no es posible”. Los científicos empezaron a dudar de que la memoria estuviera localizada en un lugar del cerebro. Tal vez, en cambio, estuviera distribuida en varias regiones. Sin embargo, esta visión distribuida de la memoria tuvo que replantearse en 1957, cuando Scoville y Milner publicaron su estudio de la MH. Por fin alguien parecía haber encontrado un lugar específico del cerebro -el hipocampo- en el que el daño causaba profundos problemas de memoria.

Las neuronas del hipocampo forman una memoria del entorno del animal; cuando el animal va a un lugar concreto, las neuronas recuerdan ese lugar

¿Podría ser el hipocampo un órgano de la memoria enterrado en las profundidades del cerebro? Ésta fue la pregunta que llevó a O’Keefe, en su nuevo laboratorio de la UCL, a intentar registrar el disparo de neuronas individuales del hipocampo, para ver si podía ver cómo se formaban los recuerdos. Su tarea no era fácil. Las neuronas funcionan “hablando” entre ellas, mediante impulsos nerviosos o “potenciales de acción”: cada neurona recibe impulsos que le envían otras neuronas y, si recibe suficientes, genera a su vez un impulso propio. Estas señales son diminutas -de unos pocos milivoltios- y sólo pueden detectarse colocando un diminuto detector justo al lado de unas cuantas neuronas y controlando los pitidos eléctricos que se producen cuando las células parlotean entre sí. Escuchando este parloteo con un equipo de grabación, es posible averiguar qué tipo de cosas interesan a cada neurona. Utilizando esta técnica, O’Keefe y su estudiante Jonathan Dostrovsky se pusieron a grabar las neuronas del hipocampo para averiguar qué hacían en un día normal en una rata normal que sólo buscaba comida. Hicieron un sorprendente descubrimiento. Algunas neuronas del hipocampo sólo se activaban cuando la rata caminaba hacia un lugar concreto de su entorno. Después de muchos experimentos de control para ver si las células se activaban por determinadas imágenes, sonidos u olores, O’Keefe llegó a la conclusión de que estas células se estimulaban simplemente por el hecho de que la rata se encontrara en un lugar concreto, por lo que denominó a estas neuronas “células de lugar”.

En lugar de memoria, las neuronas del hipocampo son células de lugar.

En lugar de la memoria, O’Keefe parecía haber tropezado con un mapa en el cerebro, y así lo manifestó en El hipocampo como mapa cognitivo (1978), escrito conjuntamente con la neuropsicóloga Lynn Nadel. Su idea básica era que las neuronas del hipocampo forman una memoria del entorno del animal, de modo que cuando el animal va a un lugar concreto, las neuronas que representan ese lugar se activan, como si recordaran ese lugar. Sin embargo, esta idea de un mapa en el hipocampo no fue bien recibida y generó una gran controversia. De hecho, la idea de que el cerebro podría hacer un mapa es anterior a la de O’Keefe en algunas décadas, y tampoco fue bien recibida entonces. El psicólogo estadounidense Edward Tolman ya lo había sugerido en 1948, basándose en sus estudios sobre cómo las ratas se orientan en los laberintos.

Tolman trabajaba en la era conductista que Pavlov había iniciado. La idea de Pavlov de que todo aprendizaje tiene lugar mediante la formación de conexiones entre representaciones es sencilla y, sin embargo, muy poderosa, y sigue vigente hoy en día. Sin embargo, durante la mayor parte del siglo anterior, la noción competidora de “representación” cognitiva era extremadamente limitada, y sólo significaba la activación de las neuronas por estímulos sensoriales simples (campanas y comida, etc.). Los psicólogos se resistían a atribuir el comportamiento a procesos internos tan invisibles y mágicos como el “pensamiento” y la “imaginación”, si podía haber una explicación más sencilla a simple vista. Los conductistas explicaban el aprendizaje como si los animales enlazaran conjuntos muy simples de asociaciones: “si giro aquí a la izquierda, ocurrirá algo bueno”, etc.

Tolman, sin embargo, descubrió que las ratas eran capaces de hacer cosas en los laberintos que no deberían poder hacer según el conductismo. Podían descubrir atajos y desvíos, por ejemplo, aunque no los hubieran aprendido. ¿Cómo podían hacerlo? Tolman estaba convencido de que los animales debían tener algo parecido a un mapa en el cerebro, que él denominó “mapa cognitivo”, pues de lo contrario su capacidad para descubrir atajos no tendría sentido. Los conductistas se mostraron escépticos. Algunos años más tarde, cuando O’Keefe y Nadel expusieron detalladamente por qué pensaban que el hipocampo podía ser el mapa cognitivo de Tolman, los científicos seguían mostrándose escépticos.

Ona de las dificultades era que nadie podía imaginar cómo sería un mapa en el cerebro. Representar asociaciones entre cosas sencillas, como campanas y comida, es una cosa; pero ¿cómo representar lugares? Esto parecía requerir los místicos procesos internos invisibles de la (pensamiento e imaginación) que los conductistas se habían esforzado tanto en erradicar de sus teorías. Los detractores de la teoría del mapa cognitivo sugirieron que lo que las células de lugar revelan sobre el cerebro no es un mapa, sino una notable capacidad para asociar sensaciones complejas, como imágenes, olores y texturas, que coinciden en un lugar, pero que no son en sí mismas espaciales.

¿Es el hipocampo un lugar?

¿Es el hipocampo un mapa o un dispositivo de asociación polivalente utilizado para todo tipo de estímulos sensoriales? ¿Cómo podríamos decidir entre estos dos puntos de vista? Para entenderlo, tenemos que volver al aspecto crítico de un mapa que lo hace útil para la navegación, que es que necesita tener información métrica relativa a la distancia y la dirección, las piedras angulares de las que carecía el mapa de Bellman en La caza del Snark. Ningún encadenamiento de asociaciones estímulo-respuesta podría inyectar estos componentes espaciales en una representación: el cerebro necesita tener una forma de calcular distancias y direcciones basándose en los datos sensoriales que recibe. Este tipo de inferencia es exactamente el tipo de proceso interno “mágico” que disgusta a los conductistas, y no fue hasta que se produjeron otros dos descubrimientos cruciales cuando tuvieron que admitir su derrota y admitir que el cerebro podría ser capaz de realizar inferencias métricas.

El primer descubrimiento lo hizo el fisiólogo estadounidense Jim Ranck, que en 1984 estaba registrando neuronas de una parte del cerebro cercana al hipocampo y descubrió que algunas de ellas se disparaban cuando el animal miraba en una dirección determinada. Cuando varias de estas neuronas se registraron juntas, Ranck y Jeffrey Taube, su colega del Centro de Ciencias de la Salud SUNY de Brooklyn (Nueva York), se dieron cuenta de que distintas células cerebrales se disparaban cuando la rata miraba en distintas direcciones, como si cada una tuviera la misión de indicar al cerebro de la rata hacia dónde miraba. Era como si la rata tuviera una brújula interna, pero con un “Norte” distinto para cada habitación. Y lo que es más importante, estas “células de dirección de la cabeza” funcionaban del mismo modo con luz u oscuridad, con los ojos abiertos o cerrados y en cualquier lugar de la habitación, de modo que no importaba exactamente lo que la rata pudiera ver, oler o tocar, sólo importaba hacia dónde miraba. Y lo que es más importante, cada célula tenía siempre la misma relación de dirección de disparo con las demás células: si la dirección de disparo preferida de la célula A estaba a la izquierda de la de la célula B en una habitación, esto era así en todas las habitaciones. Así pues, la dirección parece ser una propiedad intrínseca del sistema; parece que sólo la orientación de toda la representación respecto al mundo exterior depende de las sensaciones y percepciones.

Así pues, hay información métrica sobre la dirección en el cerebro. ¿Y sobre la distancia? Esto nos lleva al segundo gran desafío para el Conductismo: el descubrimiento de las células reticulares por Torkel Hafting y Marianne Fyhn, que entonces formaban parte de un equipo de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología dirigido por Edvard y May-Britt Moser. Los Moser habían estado fascinados por el hipocampo desde los primeros días de sus estudios de doctorado. Poco después de titularse, visitaron el laboratorio de O’Keefe en Londres para aprender a registrar estas misteriosas células de lugar que tanto entusiasmaban a los neurocientíficos. Luego regresaron a Noruega para establecer un nuevo laboratorio propio, donde importaron la técnica de O’Keefe y empezaron a estudiar las entradas al hipocampo. Su razonamiento era que, para comprender cómo las células de lugar “saben” dónde está la rata, es necesario ver lo que les dicen las neuronas situadas aguas arriba.

Lo que el equipo descubrió fue que las neuronas de lugar “saben” dónde está la rata.

Lo que el equipo descubrió fue bastante inesperado. En el córtex entorrinal, que es la parte del cerebro que envía más información al hipocampo que casi cualquier otra parte, encontraron un nuevo tipo de células espaciales. Estas células, como las células de lugar, se disparaban sólo cuando la rata se dirigía a lugares específicos del entorno, lo que en sí mismo no era tan sorprendente. Sin embargo, lo sorprendente era que no sólo se disparaban en un lugar, sino en muchos lugares. Y lo que era aún más sorprendente, estos lugares formaban un patrón notable y regular en el que cada lugar de disparo estaba a la misma distancia de todos los vecinos. Esto significaba que todo el conjunto de campos formaba un patrón hexagonal regular, como las naranjas empaquetadas en una caja, tal y como se ilustra a continuación. La distancia entre los campos podía ser pequeña (30 cm más o menos) o grande, dependiendo de la célula, y era tan regular que sus descubridores denominaron a las células “células de cuadrícula”.

Células de cuadrícula.

Las celdas de la cuadrícula tienen el patrón hexagonal regular de una caja de naranjas. Foto de Procsilas Modscas/Flickr

La importancia de las células cuadriculadas radica en el detalle, aparentemente menor, de que los parches de cocción (llamados “campos de cocción”) producidos por las células están espaciados uniformemente. Que esto forme un patrón bonito está bien, pero no es tan importante en sí mismo; lo que es sorprendente es que la célula “sabe” de algún modo a qué distancia están (digamos) 30 cm; debe saberlo, o no sería capaz de disparar en lugares correctamente espaciados. Este espaciado uniforme de los campos de disparo es algo que no podría haber surgido de la construcción de una red de asociaciones de estímulos a lo largo de la vida del animal, porque 30 cm (o lo que sea) no es una propiedad intrínseca de la mayoría de los entornos y, por lo tanto, no puede venir a través de los sentidos; debe venir del interior de la rata, a través de alguna capacidad de medición de distancias, como contar los pasos o medir la velocidad con la que el mundo fluye más allá de los sentidos. En otras palabras, la información métrica es inherente al cerebro, está cableada en las células de la rejilla, por así decirlo, independientemente de su experiencia previa. Éste fue un descubrimiento sorprendente y dramático. Los estudios de otros animales, incluidos los humanos, han revelado la existencia de células de lugar, de dirección de la cabeza y de cuadrícula también en estas especies, por lo que parece tratarse de un fenómeno general (y, por tanto, importante) y no sólo de una extraña peculiaridad de la rata de laboratorio.

Los científicos saben ahora que el hipocampo es a la vez un mapa y un sistema de memoria

Las células cuadriculadas se descubrieron en 2005, y más de una década después seguimos sin saber exactamente para qué sirven, pero se cree que son el equivalente cerebral de la referencia cuadriculada en un mapa. Sea cual sea su función, su existencia demuestra, sin embargo, que estas estructuras del cerebro -hipocampo, corteza entorrinal y un montón de sus vecinas- colaboran en la formación de una representación métrica del espacio. Se trata de un mapa real. Puede que no parezca un mapa convencional porque no está escrito en pergamino ni está etiquetado con texto impreso y una rosa de los vientos. Sin embargo, las neuronas de estas regiones responden de un modo que demuestra que son estimuladas de algún modo, no por campanas y comida, como creían los conductistas, sino por propiedades abstractas de la experiencia del animal, como lo lejos que ha caminado y el lugar al que ha llegado. El descubrimiento de las células reticulares confirmó la propuesta de mapa cognitivo de O’Keefe, y los Moser y O’Keefe compartieron juntos el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2014 “por sus descubrimientos de células que constituyen un sistema de posicionamiento en el cerebro”.

Pero, ¿dónde queda esto?

¿Pero dónde deja esto a la memoria? Aquí es donde comenzó la investigación en el hipocampo: ¿tienen algo que ver las células de posición con la memoria?

Sí, creemos que tienen algo que ver, y ahora la investigación pretende descubrir exactamente qué. Una de las implicaciones más importantes para el ser humano, derivada del estudio del hipocampo, es su implicación en la enfermedad de Alzheimer, que comienza en la corteza entorrinal (donde están las células reticulares) y se extiende por todo el hipocampo y, de ahí, al resto del cerebro. El primer síntoma de la enfermedad de Alzheimer suele ser la desorientación (por ejemplo, perderse al volver de la compra), pero progresa rápidamente hacia una amnesia más general. Los científicos saben ahora que el hipocampo es a la vez un mapa y un sistema de memoria. Por alguna razón, la naturaleza decidió hace mucho tiempo que un mapa era una forma práctica de organizar las experiencias de la vida. Esto tiene mucho sentido, ya que saber dónde ocurrieron las cosas es una parte fundamental para saber cómo actuar en el mundo. Ahora se trata de comprender cómo se unen los recuerdos a este mapa. Armados con estos conocimientos sobre la memoria, algún día podremos estudiar directamente los recuerdos e incluso, tal vez, manipularlos, para suavizar los recuerdos traumáticos, por ejemplo, o reparar los dañados, como los afectados en la enfermedad de Alzheimer.

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Kate Jeffery

Es catedrática de Neurociencia del Comportamiento en el University College de Londres, donde fundó el Instituto de Neurociencia del Comportamiento y dirige el Laboratorio Jeffery.

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