Un equipo multidisciplinar de investigadores del Instituto de Neurociencias de
Alicante, centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la
Universidad Miguel Hernández, el Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas
Complejos, del CSIC y la Universitat de les Illes Balears, el Instituto Cajal, del CSIC, y la
Universidad de la Laguna, ha logrado identificar que el ritmo theta del hipocampo está
formado por tres generadores principales y demostrar, mediante el uso de
herramientas optogenéticas, que estos generadores son independientes, que su
sincronía cambia en función de distintos comportamientos y que bandas específicas de
ondas rápidas gamma controlan la oscilación lenta theta en función de las necesidades
cognitivas. El trabajo, llevado a cabo a través del análisis de los potenciales
extracelulares registrados en ratas que exploraban libremente entornos conocidos o
novedosos, aparece publicado en la revista eLife.
La actividad del hipocampo se organiza en secuencias de ondas lentas, denominadas
theta, controladas por procesos de memoria interna y por señales sensoriales
externas, pero se sabe poco acerca de cómo se coordinan estos procesos. Aunque la
actividad de ondas theta se considera una oscilación coherente única, es en realidad el
resultado de interacciones complejas entre las diferentes zonas del hipocampo que las
generan.
Los ritmos theta altamente sincronizados ocurren preferentemente durante las tareas
que requieren coordinación entre las representaciones de la memoria interna y la
información sensorial procedente del exterior. Adicionalmente, los investigadores han
hallado que las oscilaciones rápidas gamma en bandas de frecuencia específicas están
asociadas con generadores theta principalmente cuando estos están sincronizados.
El trabajo desarrollado por este equipo multidisciplinar ha llevado a los investigadores
a proponer la existencia en el hipocampo de un mecanismo para segregar o integrar
procesos basado en la coexistencia de diferentes patrones de ondas lentas y rápidas,
que se acoplan o desacoplan de modo flexible. Cuando las necesidades cognitivas lo
requieren, el procesamiento de información se realiza en paralelo, sin interferencia
entre procesos, y cuando es necesario contrastar la información almacenada en la
memoria con la que llega del exterior, los ritmos se sincronizan y se integran. De esta
manera, la memoria se actualizaría cuando hay nueva información en el entorno y se
preservaría en contextos ya conocidos.
En el hipocampo, una estructura del cerebro clave para funciones tan importantes
como la orientación o la memoria, se registran dos tipos de oscilaciones u ondas
simultáneas, denominadas theta y gamma. Estas ondas están originadas por la
actividad eléctrica que genera la comunicación entre neuronas. Las ondas theta oscilan
lentamente (8 Hz) y se hallan en varias estructuras cerebrales, mientras que las ondas
gamma son mucho más rápidas (entre 30 y 120 Hz, dependiendo de la región del
hipocampo) y sólo aparecen en épocas cortas en una fase específica de la oscilación
theta.
Ambos tipos de ondas están muy relacionados, ya que mientras las ondas gamma
contienen paquetes de información que se transmiten de una región a otra del
hipocampo, las ondas theta lentas actúan como un reloj que coordina las secuencias
de actividad entre las distintas regiones. Al igual que las señales de radio o de
televisión, las oscilaciones gamma jugarían el papel de formar diferentes "canales" que
utilizarían diferentes frecuencias y fases del ritmo para comunicarse sin interferir con
otros canales.
Los investigadores analizaron si los generadores de ondas lentas del hipocampo
trabajan juntos para obtener una oscilación theta común o si podían trabajar
independientemente, con varias oscilaciones theta coexistiendo al mismo tiempo. Este
segundo escenario, que han validado con su trabajo, permite la existencia de múltiples
marcos de interacción theta-gamma, proporcionando un sistema de codificación de
información mucho más versátil.
Aunque no se comprenden aun en detalle las condiciones que desencadenan la
coordinación entre las estructuras del hipocampo, dado que el desacoplamiento entre
las componentes theta y gamma parece representar una firma electrofisiológica
temprana presente en casos de Alzheimer, esquizofrenia y otras alteraciones
psiquiátricas, este estudio plantea nuevos mecanismos que pueden ser cruciales para
comprender estas patologías.
Víctor J. López-Madrona, Elena Pérez-Montoyo, Efrén Álvarez-Salvado, David Moratal, Óscar
Herreras, Ernesto Pereda, Claudio R. Mirasso y Santiago Canals. Different theta frameworks
coexist in the rat hippocampus and are coordinated during memory-guided and novelty
tasks. eLife. DOI: 10.7554/eLife.57313
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