Onda theta

Las ondas theta generan el ritmo theta, una oscilación neuronal en el cerebro que subyace a varios aspectos de la cognición y el comportamiento, incluido el aprendizaje, la memoria y la navegación espacial en muchos animales. . Se puede registrar utilizando varios métodos electrofisiológicos, como el electroencefalograma (EEG), registrado desde el interior del cerebro o mediante electrodos colocados en el cuero cabelludo.

Se han descrito al menos dos tipos de ritmo theta. El ritmo hippocampal theta es una fuerte oscilación que se puede observar en el hipocampo y otras estructuras cerebrales en numerosas especies de mamíferos incluyendo roedores, conejos, perros, gatos y marsupiales. "Cortical theta ritmos" son componentes de baja frecuencia de EEG de cuero cabelludo, generalmente registrados de humanos. Los ritmos de Theta se pueden cuantificar utilizando electroencefalografía cuantitativa (qEEG) utilizando cajas de herramientas disponibles libremente, como la EEGLAB o la Herramientas de Biomarcador Neurofisiológico (NBT).

En ratas, la ritmicidad de las ondas theta se observa fácilmente en el hipocampo, pero también se puede detectar en muchas otras estructuras cerebrales corticales y subcorticales. Las ondas theta del hipocampo, con un rango de frecuencia de 6 a 10 Hz, aparecen cuando una rata realiza una conducta motora activa, como caminar o olfatear exploratoriamente, y también durante el sueño REM. A veces se observan ondas theta con un rango de frecuencia más bajo, generalmente alrededor de 6 a 7 Hz, cuando una rata está inmóvil pero alerta. Cuando una rata come, se acicala o duerme, el EEG del hipocampo suele mostrar un patrón no rítmico conocido como gran actividad irregular o LIA. El ritmo theta del hipocampo depende fundamentalmente de las proyecciones del área del tabique medial, que a su vez recibe información del hipotálamo y de varias áreas del tronco encefálico. Los ritmos theta del hipocampo en otras especies difieren en algunos aspectos de los de las ratas. En gatos y conejos, el rango de frecuencia es más bajo (alrededor de 4 a 6 Hz) y theta está menos asociado con el movimiento que en ratas. En los murciélagos, theta aparece en ráfagas cortas asociadas con la ecolocalización.

En humanos, el ritmo theta del hipocampo se ha observado y vinculado con la formación y navegación de la memoria. Al igual que las ratas, los humanos exhiben actividad de ondas theta en el hipocampo durante el sueño REM. Los seres humanos también exhiben actividad predominantemente de ondas theta corticales durante el sueño REM. El aumento de la somnolencia se asocia con una disminución de la potencia de las ondas alfa y un aumento de la potencia de las ondas theta. Se ha demostrado que la meditación aumenta el poder theta.

La función del ritmo theta del hipocampo no se comprende claramente. Green y Arduini, en el primer gran estudio de este fenómeno, observaron que la theta del hipocampo suele ocurrir junto con un EEG desincronizado en la neocorteza, y propusieron que está relacionado con la excitación. Vanderwolf y sus colegas, al observar la fuerte relación entre theta y el comportamiento motor, han argumentado que está relacionado con el procesamiento sensoriomotor. Otra escuela, dirigida por John O'Keefe, ha sugerido que theta es parte del mecanismo que utilizan los animales para realizar un seguimiento de su ubicación dentro del medio ambiente. Otra teoría vincula el ritmo theta con mecanismos de aprendizaje y memoria (Hasselmo, 2005). Esta teoría afirma que las ondas theta pueden actuar como un interruptor entre los mecanismos de codificación y recuperación, y los datos experimentales en roedores y humanos respaldan esta idea. Otro estudio en humanos ha demostrado que las oscilaciones theta determinan la función de la memoria (codificación o recuperación) cuando interactúan con la actividad gamma de alta frecuencia en el hipocampo. Estos hallazgos apoyan la idea de que las oscilaciones theta apoyan la formación y recuperación de la memoria en interacción con otros ritmos oscilatorios. Desde entonces, estas diferentes teorías se han combinado, ya que se ha demostrado que los patrones de disparo pueden favorecer tanto la navegación como la memoria.

En estudios de EEG humanos, el término theta se refiere a los componentes de frecuencia en el 4-7 Gama Hz, independientemente de su fuente. La teta cortical se observa con frecuencia en niños pequeños. En niños y adultos mayores, tiende a aparecer durante estados meditativos, somnolientos, hipnóticos o dormidos, pero no durante las etapas más profundas del sueño. Theta de la corteza frontal está específicamente relacionada con el control cognitivo y las alteraciones de estas señales de la teta se encuentran en múltiples trastornos psiquiátricos y neurodesarrollados.

Historia

Aunque hubo algunos indicios anteriores, la primera descripción clara de las oscilaciones lentas regulares en el EEG del hipocampo provino de un artículo escrito en alemán por Jung y Kornmüller (1938). No pudieron continuar con estas observaciones iniciales, y no fue hasta 1954 que se dispuso de más información, en un estudio muy exhaustivo realizado por John D. Green y Arnaldo Arduini que trazó las propiedades básicas de las oscilaciones del hipocampo en gatos, conejos y y monos (Green y Arduini, 1954). Sus hallazgos provocaron un interés generalizado, en parte porque relacionaron la actividad del hipocampo con la excitación, que era en ese momento el tema más candente en neurociencia. Green y Arduini describieron una relación inversa entre los patrones de actividad cortical y del hipocampo, donde la ritmicidad del hipocampo ocurría junto con una actividad desincronizada en la corteza, mientras que un patrón de actividad irregular del hipocampo se correlacionaba con la aparición de grandes ondas lentas en el EEG cortical.

Durante la década siguiente se produjo una avalancha de experimentos que examinaban la farmacología y fisiología de theta. En 1965, Charles Stumpf pudo escribir una extensa reseña sobre la "Acción de los fármacos sobre la actividad eléctrica del hipocampo"; citando cientos de publicaciones (Stumpf, 1965), y en 1964 John Green, quien sirvió como líder en el campo durante este período, pudo escribir una revisión extensa y detallada de la electrofisiología del hipocampo (Green, 1964). Una contribución importante provino de un grupo de investigadores que trabajaban en Viena, entre ellos Stumpf y Wolfgang Petsche, quienes establecieron el papel crítico del tabique medial en el control de la actividad eléctrica del hipocampo y descubrieron algunas de las vías por las cuales ejerce su influencia.

Terminología

Debido a un accidente histórico, el término "ritmo theta" se utiliza para referirse a dos fenómenos diferentes, "theta del hipocampo" y "theta cortical humana". Ambos son patrones de EEG oscilatorios, pero es posible que tengan poco en común más allá del nombre "theta".

En la literatura sobre EEG más antigua que data de la década de 1920, se utilizaban letras griegas como alfa, beta, theta y gamma para clasificar las ondas de EEG en rangos de frecuencia específicos, siendo "theta" generalmente significa un rango de aproximadamente 4 a 7 ciclos por segundo (Hz). En las décadas de 1930 y 1950, se descubrió un patrón de oscilación rítmica muy fuerte en el hipocampo de gatos y conejos (Green y Arduini, 1954). En estas especies, las oscilaciones del hipocampo caían principalmente en el rango de frecuencia de 4 a 6 Hz, por lo que se las denominaba "theta" oscilaciones. Posteriormente se observaron oscilaciones del hipocampo del mismo tipo en ratas; sin embargo, la frecuencia de las oscilaciones EEG del hipocampo de rata promedió alrededor de 8 Hz y rara vez cayó por debajo de 6 Hz. Por lo tanto, la oscilación del EEG del hipocampo de la rata, estrictamente hablando, no debería haberse denominado "ritmo theta". Sin embargo, el término "theta" Ya se había asociado tan fuertemente con las oscilaciones del hipocampo que continuó utilizándose incluso en ratas. Con el paso de los años, esta asociación se ha vuelto más fuerte que la asociación original con un rango de frecuencia específico, pero el significado original también persiste.

Así, "theta" puede significar cualquiera de dos cosas:

1. Un tipo específico de oscilación regular vista en el hipocampo y varias otras regiones del cerebro conectadas a él.
2. oscilaciones EEG en el rango de frecuencias de 4-7 Hz, independientemente de dónde ocurren en el cerebro o cuál es su significado funcional.

El primer significado suele referirse a la literatura que trata sobre ratas o ratones, mientras que el segundo significado suele referirse a estudios de EEG humanos registrados utilizando electrodos pegados al cuero cabelludo. En general, no es seguro asumir que las observaciones de "theta" en el EEG humano tienen alguna relación con el "ritmo theta del hipocampo". El EEG del cuero cabelludo es generado casi en su totalidad por la corteza cerebral, e incluso si cae dentro de un cierto rango de frecuencia, esto no puede interpretarse como una indicación de que tenga alguna dependencia funcional del hipocampo.

Hipocampo

Debido a la densidad de sus capas neuronales, el hipocampo genera algunas de las señales EEG más grandes de cualquier estructura cerebral. En algunas situaciones, el EEG está dominado por ondas regulares de 4 a 10 Hz, que a menudo continúan durante muchos segundos. Este patrón de EEG se conoce como ritmo theta del hipocampo. También se le ha llamado Actividad Rítmica Lenta (RSA), para contrastarla con la gran actividad irregular (LIA) que suele dominar el EEG del hipocampo cuando theta no está presente.

En ratas, el hipocampo theta se observa principalmente en dos condiciones: primero, cuando un animal corre, camina o interactúa activamente de alguna otra manera con su entorno; segundo, durante el sueño REM. La frecuencia de las ondas theta aumenta en función de la velocidad de carrera, comenzando en aproximadamente 6,5 Hz en el extremo inferior y aumentando hasta aproximadamente 9 Hz en las velocidades de carrera más rápidas, aunque a veces se observan frecuencias más altas para movimientos breves de alta velocidad, como salta a través de amplios espacios. En especies de animales más grandes, las frecuencias theta son generalmente más bajas. La dependencia del comportamiento también parece variar según la especie: en gatos y conejos, theta se observa a menudo durante estados de alerta inmóvil. Esto también se ha informado en ratas, pero sólo cuando tienen miedo (Sainsbury et al., 1987).

Theta no se limita sólo al hipocampo. En ratas, se puede observar en muchas partes del cerebro, incluidas casi todas las que interactúan fuertemente con el hipocampo. La generación del ritmo depende del área septal medial: esta área se proyecta a todas las regiones que muestran ritmicidad theta, y su destrucción elimina theta en todo el cerebro (Stewart & Fox, 1990).

Tipo 1 y tipo 2

En 1975, Kramis, Bland y Vanderwolf propusieron que en las ratas hay dos tipos distintos de ritmo theta del hipocampo, con diferentes propiedades conductuales y farmacológicas (Kramis et al., 1975). Theta tipo 1 ("resistente a la atropina"), según ellos, aparece durante la locomoción y otros tipos de actividad "voluntaria". comportamiento y durante el sueño REM, tiene una frecuencia generalmente de alrededor de 8 Hz y no se ve afectado por el fármaco anticolinérgico atropina. El tipo 2 ("sensible a atropina") aparece durante la inmovilidad y durante la anestesia inducida por uretano, tiene una frecuencia en el rango de 4 a 7 Hz y se elimina mediante la administración de atropina. Muchas investigaciones posteriores han apoyado el concepto general de que el hipocampo theta se puede dividir en dos tipos, aunque ha habido controversia sobre las propiedades precisas de cada tipo. El tipo 2 theta es comparativamente raro en ratas no anestesiadas: puede verse brevemente cuando un animal se está preparando para hacer un movimiento pero aún no lo ha ejecutado, pero sólo se ha informado durante períodos prolongados en animales que están en estado de inmovilidad congelada debido a la presencia cercana de un depredador como un gato o un hurón (Sainsbury et al., 1987).

Relación con el comportamiento

Vanderwolf (1969) argumentó firmemente que la presencia de theta en el EEG del hipocampo se puede predecir en función de lo que hace un animal, en lugar de por qué lo hace. Los movimientos activos como correr, saltar, presionar la barra o olfatear exploratoriamente están asociados de manera confiable con theta; Los estados inactivos como comer o arreglarse están asociados con LIA. Estudios posteriores demostraron que theta frecuentemente comienza varios cientos de milisegundos antes del inicio del movimiento y que está asociado con la intención de moverse más que con la retroalimentación producida por el movimiento (Whishaw y Vanderwolf, 1973). Cuanto más rápido corre un animal, mayor es la frecuencia theta. En las ratas, los movimientos más lentos dan lugar a frecuencias de alrededor de 6,5 Hz, los más rápidos a frecuencias de alrededor de 9 Hz, aunque se pueden observar oscilaciones más rápidas brevemente durante movimientos muy vigorosos, como grandes saltos.

Mecanismos

Numerosos estudios han demostrado que el área del tabique medial desempeña un papel central en la generación de theta del hipocampo (Stewart & Fox, 1990). Lesionar el área del tabique medial o inactivarla con fármacos elimina tanto el tipo 1 como el tipo 2 theta. Bajo ciertas condiciones, se pueden inducir oscilaciones tipo theta en las células del hipocampo o entorrinal en ausencia de información septal, pero esto no ocurre en ratas adultas intactas y no drogadas. La región septal crítica incluye el núcleo septal medial y la rama vertical de la banda diagonal de Broca. El núcleo septal lateral, un receptor importante de la producción del hipocampo, probablemente no desempeña un papel esencial en la generación de theta.

El área septal medial se proyecta a una gran cantidad de regiones del cerebro que muestran modulación theta, incluidas todas las partes del hipocampo, así como la corteza entorrinal, la corteza perirrinal, la corteza retroesplenial, los núcleos mamilar medial y supramamilar del hipotálamo, y los núcleos anteriores. del tálamo, la amígdala, el colículo inferior y varios núcleos del tronco del encéfalo (Buzsáki, 2002). Algunas de las proyecciones del área del tabique medial son colinérgicas; el resto son GABAérgicos o glutamatérgicos. Comúnmente se argumenta que los receptores colinérgicos no responden lo suficientemente rápido como para participar en la generación de ondas theta y, por lo tanto, que las señales GABAérgicas y/o glutamatérgicas (Ujfalussy y Kiss, 2006) deben desempeñar un papel central.

Un importante problema de investigación ha sido descubrir el "marcapasos" para el ritmo theta, es decir, el mecanismo que determina la frecuencia de oscilación. La respuesta aún no está del todo clara, pero existe cierta evidencia de que los theta tipo 1 y tipo 2 dependen de diferentes marcapasos. Para el tipo 2 theta, el núcleo supramamilar del hipotálamo parece ejercer control (Kirk, 1998). Para el tipo 1 theta, el panorama aún no está claro, pero la hipótesis más aceptada propone que la frecuencia está determinada por un circuito de retroalimentación que involucra el área del tabique medial y el hipocampo (Wang, 2002).

Varios tipos de neuronas entorrinales y del hipocampo son capaces de generar oscilaciones del potencial de membrana de frecuencia theta cuando se estimulan. Por lo general, se trata de oscilaciones sensibles al voltaje dependientes del sodio en el potencial de membrana en voltajes de potencial cercano a la acción (Alonso y Llinás, 1989). Específicamente, parece que en las neuronas de CA1 y del giro dentado, estas oscilaciones resultan de una interacción de excitación dendrítica a través de una corriente de sodio persistente (I_NaP) con inhibición perisomática ( Buzsáki, 2002).

Generadores

Como regla general, las señales de EEG se generan mediante entradas sinápticas sincronizadas a las dendritas de las neuronas dispuestas en una capa. El hipocampo contiene múltiples capas de neuronas muy densamente empaquetadas (la circunvolución dentada y la capa CA3/CA1/subicular) y, por lo tanto, tiene el potencial de generar fuertes señales de EEG. La teoría básica del EEG dice que cuando una capa de neuronas genera una señal de EEG, la señal siempre se invierte de fase en algún nivel. Por tanto, las ondas theta registradas desde sitios por encima y por debajo de una capa generadora tienen signos opuestos. También existen otras complicaciones: las capas del hipocampo están fuertemente curvadas y las entradas moduladas por theta inciden en ellas desde múltiples vías, con diferentes relaciones de fase. El resultado de todos estos factores es que la fase y la amplitud de las oscilaciones theta cambian de una manera muy compleja en función de la posición dentro del hipocampo. Sin embargo, las ondas theta más grandes generalmente se registran en las proximidades de la fisura que separa la capa molecular CA1 de la capa molecular del giro dentado. En ratas, estas señales frecuentemente superan 1 milivoltio de amplitud. Las ondas theta registradas desde arriba del hipocampo son más pequeñas y tienen la polaridad invertida con respecto a las señales de fisura.

Las ondas theta más fuertes son generadas por la capa CA1, y la información más importante que las impulsa proviene de la corteza entorrinal, a través de la vía directa EC→CA1. Otra fuerza impulsora importante proviene de la proyección CA3→CA1, que está desfasada con la entrada entorrinal, lo que lleva a un cambio de fase gradual en función de la profundidad dentro de CA1 (Brankack, et al. 1993). La circunvolución dentada también genera ondas theta, que son difíciles de separar de las ondas CA1 porque tienen una amplitud considerablemente menor, pero hay cierta evidencia de que la circunvolución dentada theta suele estar desfasada unos 90 grados con respecto a CA1 theta. Las proyecciones directas desde el área septal a las interneuronas del hipocampo también desempeñan un papel en la generación de ondas theta, pero su influencia es mucho menor que la de las entradas entorrinales (que, sin embargo, están controladas por el tabique).

Resultados de la investigación

La actividad de frecuencia theta que surge del hipocampo se manifiesta durante algunas tareas de memoria a corto plazo (Vertes, 2005). Los estudios sugieren que estos ritmos reflejan el estilo "en línea" estado del hipocampo; uno de preparación para procesar señales entrantes (Buzsáki, 2002). Por el contrario, las oscilaciones theta se han correlacionado con diversos comportamientos voluntarios (exploración, navegación espacial, etc.) y estados de alerta (piel de gallina, etc.) en ratas (Vanderwolf, 1969), lo que sugiere que pueden reflejar la integración de la información sensorial con la motora. producción (para una revisión, ver Bland & Oddie, 2001). Una gran cantidad de evidencia indica que el ritmo theta probablemente esté involucrado en el aprendizaje espacial y la navegación (Buzsáki, 2005).

Los ritmos theta son muy fuertes en el hipocampo y la corteza entorrinal de los roedores durante el aprendizaje y la recuperación de la memoria, y se cree que son vitales para la inducción de la potenciación a largo plazo, un mecanismo celular potencial de aprendizaje y memoria. La precesión de fase a lo largo de la onda theta en el hipocampo permite que las señales neuronales que representan eventos que sólo se esperan o del pasado reciente se coloquen junto a los que realmente están en curso a lo largo de un único ciclo theta y se repitan durante varios ciclos theta. Se supone que este mecanismo permite que la potenciación a largo plazo (LTP) refuerce las conexiones entre las neuronas del hipocampo que representan elementos posteriores de una secuencia de memoria. De hecho, se ha sugerido que la estimulación en la frecuencia theta es óptima para la inducción de la LTP del hipocampo. Con base en la evidencia de estudios electrofisiológicos que muestran que tanto la plasticidad sináptica como la fuerza de las entradas a la región CA1 del hipocampo varían sistemáticamente con las oscilaciones theta en curso (Hyman et al., 2003; Brankack et al., 1993), se ha sugerido que el ritmo theta funciona separar períodos de codificación de estímulos sensoriales actuales y recuperación de memoria episódica impulsada por estímulos actuales para evitar la interferencia que ocurriría si la codificación y la recuperación fueran simultáneas.

Humanos y otros primates

En animales no humanos, las señales EEG generalmente se registran utilizando electrodos implantados en el cerebro; la mayoría de los estudios theta han involucrado electrodos implantados en el hipocampo. En humanos, debido a que los estudios invasivos no son éticamente permitidos excepto en algunos pacientes neurológicos, la mayor cantidad de estudios de EEG se han realizado utilizando electrodos pegados al cuero cabelludo. Las señales captadas por los electrodos del cuero cabelludo son comparativamente pequeñas y difusas y surgen casi en su totalidad de la corteza cerebral, ya que el hipocampo es demasiado pequeño y está demasiado profundamente enterrado para generar señales EEG del cuero cabelludo reconocibles. Las grabaciones de EEG humanos muestran una clara ritmicidad theta en algunas situaciones, pero debido a dificultades técnicas, ha sido difícil decir si estas señales tienen alguna relación con las señales theta del hipocampo registradas en otras especies.

En contraste con la situación en las ratas, donde se observan fácilmente largos períodos de oscilaciones theta usando electrodos implantados en muchos sitios, theta ha sido difícil de precisar en primates, incluso cuando se disponía de electrodos intracorticales. Green y Arduini (1954), en su estudio pionero sobre los ritmos theta, informaron sólo breves estallidos de theta irregular en monos. Otros investigadores han informado resultados similares, aunque Stewart y Fox (1991) describieron un ritmo theta claro de 7 a 9 Hz en el hipocampo de macacos y monos ardilla anestesiados con uretano, parecido al ritmo theta tipo 2 observado en ratas anestesiadas con uretano.

La mayor parte de la información disponible sobre el hipocampo theta humano proviene de unos pocos estudios pequeños de pacientes epilépticos con electrodos implantados intracranealmente utilizados como parte de un plan de tratamiento. En el mayor y más sistemático de estos estudios, Cantero et al. (2003) descubrieron que se podían registrar oscilaciones en el rango de frecuencia de 4 a 7 Hz tanto en el hipocampo como en la neocorteza. Las oscilaciones del hipocampo se asociaron con el sueño REM y la transición del sueño a la vigilia, y se produjeron en breves ráfagas, generalmente de menos de un segundo de duración. Se observaron oscilaciones theta corticales durante la transición del sueño y durante la vigilia tranquila; sin embargo, los autores no pudieron encontrar ninguna correlación entre las ondas theta corticales y del hipocampo, y concluyeron que los dos procesos probablemente estén controlados por mecanismos independientes.

Los estudios han demostrado una asociación de la hipnosis con una actividad de frecuencia theta más fuerte, así como con cambios en la actividad de frecuencia gamma (Jensen et al., 2015). Además, se ha observado un aumento de las ondas theta en humanos sin pensarlo. meditación.