Anillos, donuts y lazos, la forma matemática del GPS cerebral

Este año se conmemora el décimo aniversario del Premio Nobel de Fisiología y Medicina otorgado a John O'Keefe y al matrimonio de Edvard y May-Britt Moser, quienes descubrieron las neuronas responsables del GPS interno del cerebro.

Estas neuronas, conocidas como células de lugar y células de rejilla, se encuentran en la formación hipocampal, una región clave en la memoria. A pesar de que entender cómo se genera esta representación cerebral siempre fue un misterio, en la última década ha habido avances significativos, en parte gracias al uso de las matemáticas, un campo que también ha atraído a May-Britt Moser a lo largo de su carrera como neuropsicóloga.

El hallazgo del GPS cerebral ha sido crucial para comprender cómo el cerebro se orienta en el espacio. Por ejemplo, cuando caminamos por un parque, las células de lugar y de rejilla generan una representación mental del recorrido. Esta actividad neuronal se caracteriza por señales eléctricas muy breves que se activan y desactivan según los lugares visitados, creando una secuencia de información. Al caminar repetidamente por el mismo camino, las conexiones entre las neuronas se refuerzan, lo que hace que la misma secuencia se active una y otra vez, formando un mapa mental que representa el recorrido.

El proceso de formación de este mapa ha sido estudiado mediante diversos métodos, uno de los cuales consiste en organizar los datos en grandes matrices, donde las filas representan las neuronas y las columnas, el tiempo. Esta matriz se llena con la actividad de las neuronas en momentos específicos. A continuación, los datos se analizan con herramientas matemáticas, especialmente la topología, que estudia las propiedades de los espacios que no cambian bajo deformaciones. Dentro de la matriz, las secuencias de neuronas activas se entrelazan en el tiempo, creando una estructura topológica que refleja el espacio donde ocurrió la actividad, garantizando que el mapa mental sea equivalente al entorno físico.

Las estructuras topológicas resultantes son a menudo simples, como anillos entrelazados en los caminos que se repiten, o redes hexagonales formadas por las células de rejilla, que pueden representarse como un toro (un donut) sobre el que descansan los anillos. Estas estructuras muestran cómo la actividad neuronal genera un sistema de coordenadas interno que permite al cerebro crear mapas mentales. Estos mapas no solo reflejan el espacio, sino también el tiempo, ya que los eventos se vinculan con los lugares recorridos, creando un sentido de temporalidad.

Además, el cerebro no solo registra las experiencias mientras ocurren, sino que también las revisa y refina durante los momentos de descanso y sueño, utilizando ritmos de alta frecuencia conocidos como ripples. Durante estos ritmos, las secuencias neuronales se reactivan, permitiendo que se refuercen las conexiones entre las neuronas y se creen nuevas combinaciones de recuerdos, imaginando posibles relaciones entre ellos.

El estudio de la topología de estos ritmos cerebrales ayuda a entender cómo el cerebro organiza la información espacial y temporal de manera coherente, convirtiendo las experiencias en mapas cognitivos duraderos y flexibles. En resumen, la memoria es una construcción personal, un mapa topológico ligado al ritmo de la vida y de los sueños.

Tras diez años de descubrir cómo las células de lugar y de rejilla crean mapas mentales del entorno, el futuro promete aún más avances: la aplicación de matemáticas avanzadas y herramientas de inteligencia artificial para descifrar las complejas representaciones neuronales que subyacen a los recuerdos.