La importancia de distinguir las estrategias de búsqueda alocéntrica y egocéntrica en los paradigmas de memoria espacial dependientes del hipocampo de los roedores: Obteniendo más de sus datos

Paradigmas de memoria espacial y navegación

Hay una gran variedad de pruebas conductuales tanto para roedores como para humanos que proporcionan una medida de la memoria espacial y la navegación . En general, las pruebas de memoria espacial para roedores utilizan aparatos de laberinto que tienen un área de meta que los animales deben encontrar, aprender y recordar. Estos objetivos pueden ser refuerzos positivos, como recompensas de comida, escapes de estímulos negativos, como el agua o la luz brillante, o el resultado de un comportamiento instintivo, como el impulso exploratorio. Por otro lado, las pruebas de memoria espacial en humanos se llevan a cabo sobre todo en montajes de realidad virtual que crean entornos tridimensionales controlados y cuyos objetivos suelen ser explicados al sujeto por el investigador. Más recientemente, se han tomado medidas para combinar aspectos de las pruebas con animales y con humanos para aumentar la similitud y, por tanto, la traducibilidad de estas pruebas. Se han desarrollado versiones de realidad virtual de las pruebas con roedores para los humanos, y también se han popularizado las configuraciones de realidad virtual y de pantalla táctil para roedores que se desarrollaron a partir de equivalentes humanos. La distinción de los marcos de referencia alocéntricos y egocéntricos y las estrategias de búsqueda utilizadas en las tareas de memoria espacial para roedores difieren según el tipo de prueba. Algunas tareas están diseñadas para fomentar el empleo de una única estrategia, por lo que el rendimiento en esa tarea refleja la importancia de ese marco de referencia concreto. Otras tareas pueden completarse con una combinación de estrategias alocéntricas y egocéntricas, y se necesitan análisis posteriores o pruebas de sondeo para inferir déficits o preferencias en estos marcos de referencia. A menudo se pasa por alto la consideración de qué tipos de navegación espacial se están probando, y los pasos adicionales para disociar estas estrategias, a pesar de la relativa facilidad de implementar tales medidas. A continuación se discuten los aparatos de laberinto más populares utilizados para investigar la memoria espacial y varias pruebas, controles y análisis que pueden ayudar a distinguir la navegación egocéntrica y alocéntrica.

La memoria espacial puede investigarse a través de una variedad de pruebas en laberintos como el laberinto Y, el laberinto de la tabla de quesos, el laberinto del agua de Morris, el laberinto de la estrella, el laberinto de Barnes, el laberinto del brazo radial y el laberinto T. Estos laberintos abarcan la investigación de una gama de memoria espacial, incluida la memoria a largo plazo, a corto plazo y de trabajo, así como la flexibilidad cognitiva. Las pruebas que exploran los marcos de referencia alocéntricos incluyen el uso de señales visuales estáticas que el roedor puede utilizar para desarrollar un mapa cognitivo. Se intenta minimizar las señales proximales y crear espacios abiertos y sin obstáculos para evitar las estrategias no alocéntricas. Lo contrario ocurre con las tareas egocéntricas, en las que se minimizan las señales visuales o se hacen irrelevantes (incorrectas o aleatorias). La forma más precisa de comprobar las estrategias egocéntricas es realizar una prueba en la oscuridad, lo que garantiza la eliminación de las señales visuales distales que podrían utilizarse para las estrategias alocéntricas. Muchos de los aparatos que se utilizan para investigar la navegación egocéntrica restringen los movimientos a canales o brazos estrechos para crear puntos de elección distintos en los que se fomentan las estrategias egocéntricas.

El laberinto en forma de T mayúscula (Figura 2A) es un aparato sencillo que se utiliza para comprobar la memoria espacial de trabajo y a corto plazo. Debido a la forma del laberinto, el roedor sólo tiene dos opciones, un giro de 90 grados a la izquierda o a la derecha, cuando sale del brazo inicial. El laberinto T puede ser sin cebo, con cebo o con estímulos negativos para impulsar la exploración del laberinto. Por lo general, uno de los brazos es el correcto (no explorado, recompensado con comida/agua, que contiene una plataforma de escape) y se aprende en presencia de una memoria intacta. Las señales visuales internas y externas pueden usarse para sondear la estrategia de navegación. En pocas palabras, los animales pueden ser entrenados con la presencia de señales visuales extra-laberinto y una señal visual intra-laberinto. Para alcanzar el brazo objetivo, hay que recordar que hay que girar en la dirección correcta, acercarse a la señal intra-laberinto o evitarla, o dirigirse a la zona correcta en relación con las señales externas estáticas. Una vez adquirida la tarea con éxito, los animales pueden someterse a ensayos de sondeo que implican un cambio sistemático de las señales o de la dirección de giro correcta, de modo que ahora son incorrectas. De hecho, se demostró que las ratas tienen una preferencia general por una estrategia basada en la dirección en el laberinto T, lo que sugiere que este aparato fomenta la navegación egocéntrica. Utilizando manipulaciones similares de pistas visuales en el laberinto T, se demostró que los ratones transgénicos que expresan una mutación relacionada con la enfermedad de Alzheimer tienen déficits específicos de aprendizaje de lugares alocéntricos en ausencia de una alteración general del aprendizaje y la memoria, lo que pone de relieve la importancia de incluir estas pruebas de sondeo cuando sea posible.

El laberinto en Y (Figura 2B) funciona de forma muy parecida al laberinto en T; sin embargo, el aparato está diseñado en forma de Y con tres brazos iguales a 120 grados uno del otro. Las pruebas sin cebo son muy populares en este aparato, ya que se basan en la preferencia innata del animal por explorar zonas previamente inexploradas. La memoria a corto plazo puede comprobarse bloqueando el acceso a uno de los brazos en la primera fase de la prueba y observando el tiempo que pasa en ese brazo en la segunda fase, en la que se puede acceder a los tres brazos. Hay un retraso variable entre las fases para controlar la carga de memoria a corto plazo de la tarea. Esta tarea de preferencia de brazos nuevos es una prueba de la memoria espacial alocéntrica, ya que los roedores utilizan señales tanto dentro como fuera del laberinto para recordar la ubicación del brazo nuevo. La memoria de trabajo también puede evaluarse permitiendo que el animal explore libremente los tres brazos y observando si elige entrar en el brazo explorado más recientemente o si alterna y entra en el brazo más novedoso, lo que se denomina alternancia espontánea. La alternancia espontánea también puede investigarse en el laberinto T; sin embargo, como los brazos del laberinto Y son iguales (y cada uno puede convertirse en nuevos brazos de inicio), la alternancia puede medirse continuamente sin la interacción constante del investigador. La modificación del protocolo para incluir brazos con cebo e incluir o eliminar el uso de señales proximales y distales permite la investigación de estrategias alocéntricas y egocéntricas.

El laberinto acuático de Biel fue desarrollado por William Biel y está construido con múltiples laberintos en T que se interconectan para crear un laberinto en el que los roedores deben navegar desde el «Inicio» hasta la «Meta» para escapar del laberinto. El laberinto se ejecuta con luz visible y no se proporcionan señales distales explícitas; además, el laberinto está cubierto por un gran contenedor para minimizar el acceso a las señales distales y proximales. Los parámetros que se utilizan para medir la navegación egocéntrica incluyen los errores en los ensayos y la latencia de escape. Sin embargo, este laberinto tiene limitaciones en cuanto a su diseño y nivel de dificultad, siendo la más importante el hecho de que se ejecuta con luz visible, lo que podría proporcionar señales distales o proximales desde la caja superior. El laberinto de agua de Cincinnati (CWM) es una extensión del laberinto de agua de Biel. Se trata de un complejo laberinto acuático que consta de nueve laberintos en T interconectados (Figura 3). Un roedor experimental debe ir de la posición A a la posición B y está motivado por su instinto de supervivencia para salir del agua. Está diseñado para emplear estrategias de búsqueda egocéntricas basadas en las dimensiones físicas y el diseño del laberinto que crea nueve puntos de elección (en lugar de seis en el laberinto acuático de Biel) en las intersecciones donde los roedores deben girar a la izquierda o a la derecha. El CWM se construye con un material acrílico para que las paredes sean lisas y no haya señales proximales. La anchura de los canales garantiza que el roedor no pueda trepar por las paredes del laberinto, y la realización de la prueba en la oscuridad bajo luz infrarroja puede actuar como un doble seguro contra el uso de pistas visuales . En general, el número de errores, el número de vueltas de salida y la latencia para escapar son los principales parámetros reportados para este laberinto.

El laberinto de brazos radiales (RAM) consiste en un área circular central desde la que irradian múltiples brazos hacia el exterior. La memoria espacial de los roedores se mide por la capacidad de recordar la ubicación de los brazos cebados mediante el uso de pistas destacadas alrededor de la sala del laberinto (alocéntrico) o un paradigma centrado en el egocentrismo que emplea la entrada forzada del brazo. A continuación se presenta un ejemplo de paradigma egocéntrico que utiliza la RAM. En este caso, el laberinto tiene puertas automatizadas que se abren y cierran para permitir la entrada del animal. El animal comienza en un brazo, y una vez que el experimento comienza, se abren dos brazos adyacentes al brazo de inicio para construir una forma en Y. Habrá una recompensa de comida al final de uno de los brazos, que se determinará para cada ratón a la izquierda o a la derecha. El brazo del laberinto en el que entra el animal se convierte en el nuevo brazo de inicio, al que se limita el animal durante un intervalo entre ensayos. Después de un intervalo entre ensayos, se abren dos brazos adyacentes al nuevo brazo de inicio, y se corrige la dirección del brazo (izquierda o derecha) con una recompensa de comida. El experimento continúa de esta manera y requiere que el animal navegue por el laberinto en referencia a su propia posición . Al limitar el acceso a sólo tres brazos (además del brazo de inicio original) a la vez, se asegura que el animal no utilice una estrategia no egocéntrica. Por ejemplo, si todos los brazos de la RAM estuvieran disponibles, el animal podría utilizar la estrategia en serie de entrar en cada brazo secuencialmente para encontrar la recompensa de comida. En el caso de la RAM, las mediciones como el número de errores y el rango del primer error se reportan para indicar el rendimiento de la memoria. Aunque la RAM puede utilizarse para investigar tanto las estrategias de búsqueda egocéntricas como las alocéntricas, el laberinto de agua de Morris sin brazos se convirtió en el estándar para las pruebas alocéntricas, con el agua opaca abierta actuando como una máscara tanto para los puntos de elección para aprender una secuencia establecida, como para la olfacción. En contraste con los diseños armados de las pruebas egocéntricas, los laberintos que se dirigen a las estrategias espaciales alocéntricas están diseñados para ser abiertos y libres de objetos o bordes dentro del laberinto que puedan actuar como puntos de elección.

El laberinto de Barnes se basa en la preferencia de los roedores por los espacios oscuros y cerrados. Es un laberinto circular abierto con agujeros alrededor del perímetro (Figura 4). Debajo de uno de estos agujeros se encuentra la meta «caja objetivo», que proporciona un pequeño espacio cerrado para el roedor. Durante la prueba, el laberinto se inunda con luces brillantes, sonidos y/o chorros de aire para motivar la búsqueda de la meta. Se proporcionan señales distales alrededor de la sala para ayudar al roedor a navegar. El número de errores, la latencia de la huida y las estrategias de búsqueda suelen ser una medida del rendimiento de la memoria espacial. Las manipulaciones de las señales visuales en el laberinto de Barnes demuestran que las señales distales son más importantes que las proximales, y los animales entrenados sin señales distales (con un marcador en el lugar de la meta) muestran un menor rendimiento. Por tanto, esta tarea tiende a fomentar las estrategias alocéntricas.

El laberinto de agua de Morris (MWM) ha sido una parte integral de la investigación neurocientífica como un estándar de oro al probar la memoria espacial en roedores desde su introducción (Morris et al. ). El MWM utiliza una gran piscina circular con agua opaca y una plataforma de escape oculta (Figura 5A). Se colocan múltiples señales distales alrededor del laberinto para ayudar al roedor a alcanzar la plataforma oculta que utiliza para escapar. La mayoría de los protocolos se realizan a lo largo de varios días, con múltiples ensayos por día, y aunque la posición de la plataforma oculta sigue siendo la misma, la posición inicial del animal de investigación suele cambiarse para minimizar las estrategias egocéntricas. Sin embargo, si el lugar de inicio se mantiene constante, y la prueba se realiza en la oscuridad sin señales externas, los roedores pueden completar el MWM utilizando una estrategia egocéntrica . Tras el entrenamiento, se retira la plataforma de escape y se comprueba la memoria de referencia. Se espera que los animales pasen una mayor cantidad de tiempo en el cuadrante donde estaba la meta anteriormente. La ubicación de la meta también puede cambiarse para investigar el aprendizaje inverso y la flexibilidad cognitiva. La principal motivación del roedor para navegar por el laberinto es escapar del agua. La principal ventaja del MWM a la hora de probar estrategias de búsqueda alocéntricas es la eliminación de las señales visuales y olfativas dentro del laberinto con el uso de agua opaca. De hecho, el enmascaramiento de cualquier pista olfativa disponible es imperativo debido al potente sentido del olfato de los roedores y al uso de la olfacción en su navegación. Sin embargo, el agua en el MWM también puede ser una desventaja, especialmente cuando se trabaja con ratones porque no son nadadores naturales en la naturaleza y se estresan en el agua .

El laberinto de la tabla de quesos (CBM) (Figura 5B) es una versión seca del MWM y es igualmente una prueba de memoria espacial a largo plazo, así como una medida de flexibilidad cognitiva. El CBM es una arena circular uniforme con pozos que pueden ser cebados. Los pozos irradian en líneas uniformes desde el centro del tablero. Las señales espaciales se colocan alrededor de la MFC. Los roedores están privados de comida durante el experimento para motivarlos a encontrar la recompensa alimentaria. La ubicación del pozo con cebo es diferente para cada animal y se mantiene constante a lo largo de los ensayos y los días para cada ratón. Los animales deben aprender a utilizar las señales espaciales colocadas alrededor del laberinto para encontrar el pozo cebado desde la zona de inicio en el centro para recibir la recompensa y se espera que utilicen estrategias de búsqueda alocéntricas. Tras la adquisición de la ubicación de la meta, se cambia la ubicación de la recompensa alimentaria, y entonces el animal debe adoptar una nueva estrategia de aprendizaje (inversión). Se trata de una medida de flexibilidad cognitiva y pone a prueba la capacidad del animal para ignorar la posición inicial de la recompensa y aprender la nueva ubicación de la segunda recompensa. En comparación con la MWM, que se basa en la motivación de supervivencia, la CBM se basa en el impulso del hambre. Ambas tareas implican señales distales para guiar al ratón hacia su objetivo, ya sea la plataforma de la MWM o la recompensa alimentaria de la CBM. Estas diferentes motivaciones podrían influir en el procesamiento cognitivo de los roedores. El MWM ha sido criticado por ser excesivamente estresante, ya que el animal de investigación tiene que emplear el aprendizaje de evitación. El CBM, aunque la privación de alimentos puede proporcionar un estrés similar, implica un refuerzo positivo a través de la recompensa alimentaria. Se argumenta que el refuerzo positivo puede no ser suficiente para animar a los animales de investigación a aprender, en comparación con una prueba como la MWM, en la que hay que evitar las consecuencias negativas. Puede ser que cada prueba ofrezca un ángulo diferente para el estudio de la cognición. El estrés provocado por el pánico puede ser perjudicial para un aprendizaje eficaz o un impulso más fuerte en comparación con la privación de alimentos. La principal ventaja del MWM en lo que se refiere a desvelar las estrategias alocéntricas y egocéntricas es que es un laberinto alocéntrico más limpio. En el MWM, el uso de agua opaca a través de la cual los roedores deben nadar minimiza la disponibilidad de puntos de elección y señales olfativas. En comparación, el CBM es un laberinto que requiere que los roedores no sólo naveguen utilizando las pistas distales, sino también alrededor de los pozos. Por lo tanto, los roedores pueden incorporar estos pozos en su estrategia de navegación, algo que no se puede hacer en el MWM. Esto podría proporcionar una oportunidad para que los roedores empleen estrategias no alocéntricas, como la estrategia en serie. Esta cuestión de la detección de dichas estrategias de búsqueda egocéntricas frente a las alocéntricas se discute con más detalle en la siguiente sección.

El laberinto de la Estrella (Figura 6), diseñado por Rondi-Reig et al. , es un laberinto de agua construido a propósito que permite distinguir las estrategias de búsqueda alocéntricas y egocéntricas. Se trata de un laberinto de agua circular que consta de cinco canales de agua que forman un pentágono central y cinco canales de agua que salen de este pentágono. Las paredes del laberinto tienen un color uniforme y el agua es opaca. El objetivo del laberinto es encontrar la plataforma oculta para poder escapar. Al analizar la navegación alocéntrica, se dispone de pistas extra-laberinto en las paredes. La configuración de este laberinto permite múltiples protocolos para probar la navegación alocéntrica o egocéntrica. El primer protocolo, «la versión de estrategias múltiples», se establece para investigar la estrategia de navegación espontánea que emplea el roedor. El segundo protocolo investiga la navegación egocéntrica configurando el laberinto de manera que una secuencia de movimientos de dirección envíe al roedor a la plataforma de escape. El último protocolo requiere que los roedores utilicen las señales espaciales proporcionadas para escapar de los puntos de inicio asignados al azar. Este laberinto es una gran configuración, ya que permite la elucidación de las estrategias de búsqueda individuales, y dado que es un laberinto de agua, controla la igualdad de motivación y oportunidad .