Metrónomo

por Jason Dorrier

Nos gusta pensar en los cerebros como computadoras: un sistema físico que procesa entradas y escupe salidas. Pero, obviamente, lo que hay entre tus oídos se parece poco a tu computadora portátil.

Metrónomo

Los informáticos conocen los detalles íntimos de cómo las computadoras almacenan y procesan la información porque las diseñan y construyen. Pero los neurocientíficos no construyeron cerebros, lo que los hace un poco como una pieza de tecnología alienígena que han encontrado y están tratando de realizar ingeniería inversa.

En este punto, los investigadores han catalogado bastante bien los componentes. Sabemos que el cerebro es una vasta e intrincada red de células llamadas neuronas que se comunican mediante señales eléctricas y químicas. Lo que es más difícil de entender es cómo esta red le da sentido al mundo.

Para hacer eso, los científicos intentan vincular el comportamiento a la actividad en el cerebro escuchando el parloteo de sus neuronas encendidas. Si las neuronas en una región se vuelven ruidosas cuando una persona come chocolate, bueno, esas células podrían estar procesando el sabor o dirigiendo la masticación. Este método se ha centrado principalmente en la frecuencia a la que se activan las neuronas, es decir, la frecuencia con la que se activan en un período de tiempo determinado.

Pero la frecuencia por sí sola es una medida imprecisa. Durante años, la investigación en ratas ha sugerido que cuando las neuronas se activan en relación con sus pares, durante la navegación de espacios en particular, también pueden codificar información. Este proceso, en el que el tiempo de algunas neuronas crece cada vez más fuera de sintonía con sus vecinas, se denomina “precesión de fase”.

No se sabía si la precesión de fase estaba generalizada en los mamíferos, pero estudios recientes la han encontrado en murciélagos y titíes. Y ahora, un nuevo estudio ha demostrado que también ocurre en humanos , lo que refuerza el caso de que la precesión de fase puede ocurrir entre especies.

El nuevo estudio también encontró evidencia de precesión de fase fuera de las tareas espaciales, dando algo de peso a la idea de que puede ser un proceso más general de aprendizaje en todo el cerebro.

El artículo fue publicado en la revista Cell el mes pasado por un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia dirigido por el neurocientífico e ingeniero biomédico Josh Jacobs.

Los investigadores dicen que se necesitan más estudios para desarrollar el papel de la precesión de fase en el cerebro, y aún no se sabe cómo o si contribuye al aprendizaje.

Pero para Salman Qasim, un becario postdoctoral del equipo de Jacobs y autor principal del artículo, los patrones son tentadores. “[La precesión de fase es] tan prominente y prevalente en el cerebro de los roedores que hace que uno quiera asumir que es un mecanismo generalizable”, dijo a Quanta Magazine este mes.

De los cerebros de rata a los cerebros humanos

Aunque la precesión de fase en ratas se ha estudiado durante décadas, se tarda más en descubrirla en humanos por un par de razones. Por un lado, es más desafiante estudiar en humanos a nivel de neuronas porque requiere colocar electrodos en lo profundo del cerebro. Además, nuestros patrones de actividad cerebral son más sutiles y complejos, lo que los hace más difíciles de desenredar.

Para resolver el primer desafío, el equipo analizó grabaciones de una década de charlas neuronales de 13 pacientes con epilepsia resistente a los medicamentos. Como parte de su tratamiento, a los pacientes se les implantaron electrodos para mapear las tormentas de actividad durante una convulsión.

En una prueba, navegaron por un mundo virtual bidimensional, como un simple videojuego, en una computadora portátil. Su actividad cerebral se registró cuando se les indicó que condujeran y dejaran a los “pasajeros” en seis tiendas alrededor del perímetro de una pista rectangular.

El equipo examinó esta actividad en busca de indicios de precesión de fase.

Las regiones activas del cerebro tienden a activarse juntas a un ritmo constante. Estos ritmos, llamados ondas cerebrales, son como un metrónomo o reloj interno. La precesión de fase ocurre cuando las neuronas individuales se desvían de las ondas cerebrales predominantes cercanas. En la navegación de espacios, como en este estudio, un tipo particular de neurona, llamada “célula de lugar”, se dispara cada vez más temprano en comparación con sus pares a medida que el sujeto se acerca y pasa a través de una región. Su disparo temprano finalmente se vincula con el disparo tardío de la siguiente celda de la cadena , fortaleciendo la sinapsis entre los dos y codificando un camino a través del espacio.

En las ratas, las ondas theta en el hipocampo, que es una región asociada con la navegación, son fuertes y claras, lo que facilita la detección de la precesión. En los humanos, son más débiles y variables. Entonces, el equipo utilizó un análisis estadístico inteligente para ampliar las frecuencias de onda observadas en un rango. Y fue entonces cuando la fase de precesión se destacó claramente.

Este resultado se alineó con estudios de navegación previos en ratas. Pero el equipo dio un paso más.

En otra parte del cerebro, la corteza frontal, encontraron precesión de fase en neuronas que no participan en la navegación. La sincronización de estas celdas no coincidió con la de sus vecinos, ya que el sujeto logró el objetivo de dejar pasajeros en una de las tiendas. Esta precesión de fase indicada también puede codificar la secuencia de pasos que conducen a una meta.

Por lo tanto, los hallazgos extienden la ocurrencia de la precesión de fase a los humanos y a nuevas tareas y regiones del cerebro. Los investigadores dicen que esto sugiere que el fenómeno puede ser un mecanismo general que codifica experiencias a lo largo del tiempo. De hecho, otras investigaciones —algunas muy recientes y aún no revisadas por pares— validan esta idea, vinculándola al procesamiento de sonidos, olores y series de imágenes.

Y, la cereza en la parte superior, el proceso comprime la experiencia a la longitud de una sola onda cerebral. Es decir, una experiencia que tarda unos segundos, por ejemplo, una rata que se mueve por varios lugares del mundo real, se comprime a la fracción de segundo que necesitan las neuronas asociadas para activarse en secuencia.

En teoría, esto podría ayudar a explicar cómo aprendemos tan rápido de tan pocos ejemplos. Algo que los algoritmos de inteligencia artificial luchan por hacer.

Sin embargo, por muy tentadora que sea la investigación, tanto el equipo involucrado en el estudio como otros investigadores dicen que aún es demasiado pronto para sacar conclusiones definitivas. Hay otras teorías sobre cómo los humanos aprenden tan rápido, y es posible que la precesión de fase sea un artefacto de la forma en que funciona el cerebro en lugar de un controlador de su procesamiento de información.

Dicho esto, los resultados justifican una investigación más seria.

“Cualquiera que observe la actividad cerebral tanto como nosotros sabe que a menudo es un desastre estocástico y caótico”, dijo Qasim a  Wired  el mes pasado . “Entonces, cuando ve que surge algún orden en ese caos, desea atribuirle algún tipo de propósito funcional”.

Solo el tiempo dirá si ese orden es un algoritmo neuronal fundamental o algo más.

Fuente: https://singularityhub.com/2021/07/11/a-neurons-sense-of-timing-encodes-information-in-the-human-brain/

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