Dinámica neuronal hipocampal como sustrato neurofisiológico del aprendizaje observacional en ratas

Abstract

El aprendizaje observacional es la capacidad de imitar una conducta dirigida a metas, a partir de la observación de un congénere que actúa como demostrador de una conducta. Este tipo de aprendizaje fue inicialmente descrito en conductas humanas, pero hoy sabemos que muchas especies animales, incluyendo vertebrados e invertebrados, pueden aprender a partir de la experiencia de otros. A pesar de su importancia, se desconocen las bases neurofisiológicas que sustentan el aprendizaje observacional. Roedores han demostrado la capacidad de aprender por observación en distintos paradigmas conductuales, incluyendo tareas de navegación espacial. Sabemos que la capacidad de un animal para orientarse en su entorno está determinada por la actividad neuronal concertada de varias regiones cerebrales, incluyendo el hipocampo. En esta región, neuronas piramidales conocidas como place cells codifican porciones del ambiente atravesadas por el animal (llamadas place fields). La población de place cells genera una representación completa del entorno, que se denomina mapa cognitivo. Este mapa es modulado por cambios en las características espaciales y no espaciales del entorno, en un proceso conocido como remapeo (remapping). Actualmente se desconoce si el mapa cognitivo se genera exclusivamente en representación de la posición del mismo animal o si puede también representar la posición de congéneres. En la presente tesis, hipotetizo que la actividad neuronal hipocampal de un animal puede codificar la posición de otro animal, y que dicha codificación es necesaria para el aprendizaje del observador a partir de la experiencia de un congénere. Para evaluar el rol del hipocampo en el aprendizaje observacional en tareas de navegación espacial, ratas naïve observaron a un demostrador bien entrenado mientras éste resolvía un laberinto espacial. Tras el periodo de observación, el animal naïve pasó a resolver el mismo laberinto espacial y medimos parámetros de aprendizaje en este animal. Si el observador puede adquirir información sobre la tarea de navegación espacial a partir de la experiencia del demostrador, espero que dicho observador muestre una mejora en su desempeño conductual, comparado con animales que observaron demostradores no entrenados o que no observaron congéneres. Los resultados experimentales indican que efectivamente los observadores mejoran su desempeño conductual sólo cuando observaron un demostrador bien entrenado. Este aprendizaje fue suprimido después de inhibir farmacológicamente la actividad hipocampal durante el periodo de observación, lo que sugiere que esta estructura juega un rol clave en la adquisición del aprendizaje observacional. Registros electrofisiológicos extracelulares de la actividad hipocampal indican la existencia de una población neuronal en CA1 que específicamente codifican la posición del animal demostrador en el laberinto espacial (llamadas observational-place cells, OPC). Esto sugiere que el hipocampo genera representaciones espaciales de la posición de un congénere. Además, dichas representaciones hipocampales cambian cuando el animal pasa de observar al congénere, a resolver la tarea espacial, indicando remapeo global del mapa cognitivo. Los resultados obtenidos en esta tesis sugieren fuertemente que la actividad hipocampal es esencial para las mejoras conductuales asociadas a un proceso de aprendizaje observacional. Los mecanismos subyacentes a esta mejora conductual están probablemente asociadas a la actividad neuronal hipocampal que genera una representación interna de la posición del congénere que en esta tarea actúa como demostrador, a través de las observational-place cells.

Observational learning is the ability to imitate a goal-directed behavior from the observation of a congener that acts as a demonstrator of behavior. This type of learning was initially described for human behavior, but today we know that many species, including vertebrates and invertebrates, can learn from the experiences of others. However, the neurophysiological underpinnings of observational learning remain elusive. Rodents can learn by observation within different behavioral paradigms, including spatial navigation tasks. We know that the animal’s ability to orientate in an environment is determined by the concerted neuronal activity of several brain regions, including the hippocampus. Hippocampal pyramidal neurons known as place cells encode portions of the environment traveled by the animal: the place fields. The population of place cells generates a complete representation of the environment, known as cognitive map. This map is modulated by changes both of spatial and non-spatial features in the environment, by a process called remapping. Currently it is unknown if a cognitive map is generated exclusively in representation of the animal own position or whether it can also represent the position of congeners. In this thesis I hypothesize that the activity of hippocampal neurons of an animal encodes the positions of another animal, and that this encoding is necessary for the observer’s learning from a demonstrator’s experience. To evaluate the role of the hippocampus for observational learning of a spatial navigation task, naïve rats observed a well-trained demonstrator rat solving a spatial maze. After the observation epoch, the observer was left to solve the same maze to evaluate learning. If the observer can acquire information about the spatial navigation task from observing the experience of the demonstrator, I expect an improvement of the performance of the naïve animal compared to animals that observed an untrained demonstrator, or did not observe a demonstrator prior to the task. The results of this experiment indicate that observers improve their performance in the spatial navigation task only after watching an experienced demonstrator animal. This learning was completely abolished after pharmacological inactivation of hippocampal activity during observation epochs, suggesting the hippocampus to play a key role in observational learning. Extracellular recordings of hippocampal activity indicate the existence of a population of neurons in CA1 which are specifically encoding the position of the demonstrator rat in the maze (observational-place cells, OPC). This suggests that the hippocampus generates spatial representations of a congener’s position. Additionally, these representations changed when the animal shifted from observing to actively navigating in the maze, indicating a global remapping of the cognitive map. The results obtained in the framework of this dissertation strongly suggest that hippocampal activity is essential for an observational learning-dependent improvement of behavior. The underlying mechanisms of this improvement are likely explained by the activity of hippocampal neurons generating an internal representation of the navigation performed by a congener that acts as a demonstrator, through observational-place cell activity.