Los mecanismos que subyacen a la emergencia de la representación neuronal del aprendizaje de movimientos volitivos en la corteza sensoriomotora han sido poco explorados y por lo tanto, son poco entendidos. De manera más específica, no es claro cómo la actividad motora fina que se establece durante el aprendizaje motor se representa en la capa de salida cortical 5b. Mas aún, se desconoce como la corteza sensoriomotora organiza diferentes salidas en paralelo de manera coordinada y como la dinámica de estas salidas se modifica durante el aprendizaje de un movimiento calificado. Es así, que el presente proyecto pretende caracterizar, en animales en libre movimiento, la dinámica de circuitos neuronales a partir de análisis hodológicos, patrones en la conectividad sináptica y su correlación funcional con la conducta, que se establecen entre las neuronas de la corteza sensoriomotora. Para ello, se plantea el uso de la imagenología funcional de calcio con resolución celular a través de microscopios miniatura crónicamente implantados. Ello permitirá analizar la dinámica de poblaciones de neuronas funcionalmente identificadas, durante el desarrollo de un paradigma conductual que involucra el aprendizaje motor. Durante nuestro proyecto anterior desarrollamos un prototipo de microscopio miniatura diseñado con nuestros colaboradores de la Universidad Autónoma de Querétaro (Figura 1). Este dispositivo fue adaptado para poder evaluar la actividad de neuronas que expresan un sensor de calcio genéticamente codificado en las cortezas somatosensorial primaria y motora M1 y M2 de ratones.
Uno de los objetivos de las neurociencias contemporáneas es comprender mecanísticamente la organización de grupos de neuronas como ensambles que determinan la conducta de los animales. Un modelo para el estudio de este fenómeno es el sistema piramidal, el cual está conformado por una diversidad de neuronas alojadas en la capa 5 de la corteza cerebral y que reciben una gran cantidad de entradas, que son el resultado del procesamiento intracortical, así como información sensorial. Por su parte, las proyecciones de estas neuronas modulan diversos circuitos subcorticales encargados de coordinar y ejecutar las tareas motoras. Todo esto, sitúa a las neuronas de la capa 5 del sistema piramidal como detectores de coincidencia capaces de orquestar de manera coordinada diversas salidas para la apropiada ejecución de movimientos.
Las neuronas del sistema piramidal de la corteza cerebral de mamíferos han sido probablemente unas de las neuronas más estudiadas dada su importancia en el control sensoriomotor (Ramaswamy y Markram, 2015). Estas neuronas piramidales se encuentran segregadas en poblaciones funcionalmente heterogéneas que integran información muy variada para emitir distintas salidas coherentes. Además, constituyen la principal salida cortical a estructuras subcorticales y son, estas proyecciones descendentes de las neuronas piramidales de la capa 5 de la corteza sensoriomotora, las responsables de la ejecución de los movimientos volitivos, ya sea a través de proyecciones directas a la médula espinal, o a través de proyecciones indirectas con diversas estructuras subcorticales, como son el estriado, el puente y el núcleo rojo, entre otros (Akintude and Buxton, 1992a; Molyneaux et al., 2007; Kiritani et al., 2012; Rojas-Piloni et al., 2017). La generación de movimientos involucra la actividad coordinada de las neuronas cortico-espinales con otras neuronas corticales de salida, como son las cortico-reticulares, las cortico-estriatales y las cortico-pontinas, cortico-tectales, cortico-rubrales y cortico-talámicas, las cuales participan en diferentes aspectos del control motor. A pesar de que estas neuronas han sido muy bien estudiadas de manera independiente, se conoce muy poco acerca de las interacciones funcionales existentes entre ellas, así como de la jerarquía y organización de la microcircuitería intracortical que permite la regulación de las entradas sensoriales, así como la ejecución de movimientos.
Puede acceder a las figuras aqui https://www.dropbox.com/sh/d27u16ccn46r6ye/AADKKEpWkD_l0dCXRZrI6kC1a?dl=0
El sistema piramidal es originado por las neuronas de la capa cortical 5, las cuales forman diferentes vías descendentes con blancos distintos. De esta forma, estas neuronas modulan una diversidad importante de funciones relacionadas con el control motor. Sin embargo, se conoce muy poco acerca de cómo se establece la organización de las proyecciones subcorticales, de la microcircuitería intracortical, y de las interacciones sinápticas en la corteza sensoriomotora que codifica las salidas corticales. Entender esta organización es muy importante para comprender, de una forma integrativa, las características especiales del sistema piramidal en el humano, el cual es especialmente vulnerable a desórdenes neurológicos.
Se ha relacionado a la corteza motora primaria (M1) y a la corteza premotora (M2) con el aprendizaje de habilidades motoras o aprendizaje motor (Sanes y Donghue, 2000; Makino et al., 2017). El aprendizaje motor está caracterizado por una mejora en la precisión de movimientos voluntarios adquiridos recientemente (Dayan y Cohen, 2011) e involucra, tanto cambios en la dinámica de la actividad neuronal a lo largo de la corteza (Makino et al., 2017), como la inducción de plasticidad relacionada al aprendizaje, incluyendo cambios en la fuerza de conexión y crecimiento de espinas dendríticas (RioultPedotti et al., 1998; Wang et al.,2011). En particular, las neuronas corticoespinales forman ensambles neuronales que se activan selectivamente durante el movimiento y también durante la quiescencia o quietud, pudiendo cambiar entre estados a lo largo de un proceso de aprendizaje motor (Peters et al., 2017). Adicionalmente, el tracto corticoespinal está segregado anatómica y funcionalmente para controlar diferentes circuitos de la médula espinal encargados de modular la información motora de salida y la información sensorial de entrada de una manera coordinada (Olivares-Moreno et al., 2017). Sin embargo, no se comprende del todo cómo la actividad motora fina que se establece durante el aprendizaje motor se representa en la capa de salida cortical 5B. Más aún, se desconoce si la formación de ensambles neuronales durante un aprendizaje motor sigue reglas semejantes a las que suceden en otros sistemas.
Actualmente contamos con resultados que indican que, a pesar de estar entremezcladas en la corteza sensoriomotora, cada grupo de neuronas empenachadas de la capa 5, expresa características específicas morfo-funcionales que las distinguen, formando así grupos segregados a través de los cuales fluye información particular. Esto implica que la corteza sensoriomotora tiene la capacidad de disociar a través de distintos canales de salida diferente tipo de información (Rojas-Piloni et al., 2017; Olivares-Moreno y cols., 2019). Sin embargo, desconocemos aún como participa cada grupo de neuronas durante la ejecución de un movimiento o una conducta particular, lo cual constituye el principal objetivo de este proyecto.
Un aspecto fundamental para entender la dinámica de los circuitos neuronales depende de la caracterización fisiológica, anatómica y morfológica de las neuronas que se está analizando (Olivares-Moreno y cols., 2019). El desarrollo de técnicas electrofisiológicas y de imagen ha permitido el estudio de la actividad de neuronas individuales y su correlación con la conducta en animales en libre movimiento (Kerr y Denk, 2008). Sin embargo, la electrofisiología no permite identificar el tipo de neuronas registradas ni mucho menos sus proyecciones. Por otra parte, las técnicas de imagen como el análisis de calcio con la microscopia de 2 fotones permiten la visualización de neuronas, en el mejor de los casos, a una profundidad de 600 micras, limitándose entonces su uso a las capas superficiales de la corteza cerebral. Esto resulta ser una limitante cuando los circuitos neuronales de interés se encuentran localizados más allá del alcance de esta técnica. Por otro lado, ha resultado difícil seguir la actividad de neuronas específicas durante periodos largos de tiempo (semanas), para comprender como se establecen ensambles específicos que codifican distintos aspectos conductuales. Es así que el uso de la microscopía de calcio permite tener una resolución espacial y temporal adecuadas para analizar la dinámica de la actividad de grupos específicos de neuronas a lo largo de periodos de tiempo largos (miniscope.org).