¿Cómo consigue el cerebro que distintas regiones trabajen juntas? Científicos descubren una posible clave

Cuando observamos una imagen, nuestro cerebro realiza una tarea extraordinaria: millones de neuronas procesan información en diferentes regiones y, aun así, conseguimos percibir una escena coherente. Pero ¿cómo logran estas áreas coordinar sus señales para interpretar lo que estamos viendo? Una nueva investigación ha encontrado una posible respuesta en las conexiones que permiten a las regiones cerebrales comunicarse en ambas direcciones.

El estudio, publicado en la revista Nature Neuroscience, revela que las conexiones recíprocas entre dos áreas de la corteza visual de ratones favorecen la persistencia de patrones de actividad neuronal compatibles entre sí, mientras que los patrones inconsistentes desaparecen más rápidamente. Los investigadores proponen que este mecanismo permite a las regiones cerebrales alcanzar una especie de acuerdo dinámico sobre la información que procesan.

El cerebro no procesa la información en un solo lugar

Aunque solemos hablar del cerebro como si fuera una estructura que trabaja de manera unificada, distintas regiones participan en funciones especializadas.

Cuando observamos un objeto, por ejemplo, algunas neuronas responden a características visuales sencillas, como la orientación de una línea, mientras que otras regiones participan en etapas posteriores del procesamiento.

La corteza visual es un ejemplo de esta organización. En ella existen múltiples áreas conectadas entre sí que reciben, transforman e intercambian información.

Sin embargo, esta especialización plantea un problema: si diferentes regiones procesan aspectos de un mismo estímulo, ¿cómo consiguen mantener una actividad coordinada en lugar de generar respuestas incompatibles?

Para investigar esta cuestión, científicos de la Universidad de Cambridge y otras instituciones analizaron cómo interactúan dos regiones de la corteza visual de ratones durante una tarea de discriminación visual.

Dos regiones cerebrales bajo observación

Los investigadores se concentraron en el área visual primaria, conocida como V1, y el área visual lateromedial, denominada LM, que participa en un nivel posterior del procesamiento visual.

El análisis utilizó registros eléctricos simultáneos obtenidos de ambas regiones cerebrales mientras siete ratones observaban patrones de líneas inclinadas.

Los animales habían sido entrenados para distinguir entre dos orientaciones visuales: una inclinada 45 grados hacia un lado y otra inclinada en sentido contrario.

Ante una de las orientaciones, debían responder mediante un movimiento de la lengua para obtener una recompensa. Frente a la otra, debían evitar esa respuesta.

En total, los registros utilizados comprendían la actividad de 422 neuronas distribuidas entre ambas regiones cerebrales.

Estos datos permitieron investigar cómo cambiaba la actividad neuronal mientras los animales observaban e intentaban distinguir los estímulos.

El nuevo estudio no realizó experimentos adicionales con animales, sino que analizó registros experimentales obtenidos previamente para construir y comprobar modelos del funcionamiento conjunto de las dos regiones.

La luz permitió estudiar qué ocurre cuando una región deja de participar

Una característica importante de los datos utilizados es que incluían intervenciones realizadas mediante optogenética.

Esta técnica permite modificar la actividad de determinadas neuronas mediante luz, utilizando proteínas sensibles a la iluminación.

Durante algunos ensayos, los investigadores activaron brevemente neuronas inhibidoras para reducir la actividad de una de las regiones visuales mientras continuaban registrando las señales de ambas.

La intervención duraba apenas 150 milisegundos.

De esta manera, podían examinar qué sucedía en una región cuando la actividad de la otra era reducida temporalmente.

Los registros mostraron que, al silenciar una de las áreas, las fluctuaciones de actividad neuronal en la otra se volvían más rápidas y disminuía la persistencia de determinados patrones.

Este comportamiento aportó evidencia experimental de que las interacciones entre ambas regiones contribuyen a mantener su actividad a lo largo del tiempo.

Un mecanismo que favorece las señales compatibles

Para comprender cómo se produce esta coordinación, los investigadores construyeron modelos computacionales basados en los registros neuronales y en propiedades conocidas de los circuitos cerebrales.

Los modelos permitieron estudiar las interacciones entre neuronas excitadoras, que favorecen la actividad de otras células, y neuronas inhibidoras, que ayudan a regularla.

El resultado fue especialmente interesante.

Cuando los patrones de actividad de V1 y LM eran compatibles, las conexiones entre ambas regiones favorecían que estos patrones se mantuvieran durante más tiempo.

Por el contrario, cuando sus patrones eran inconsistentes, la actividad asociada a esa discrepancia desaparecía con mayor rapidez.

El equipo describe este proceso como un mecanismo de consenso dinámico: las regiones intercambian señales y sus patrones de actividad tienden a volverse más coherentes.

No significa que las neuronas conversen o tomen decisiones conscientes. El término consenso se utiliza para describir matemáticamente cómo evolucionan las señales eléctricas de los circuitos.

Los investigadores encontraron que este mecanismo podía contribuir tanto a la coordinación sobre la presencia de un estímulo como a la relacionada con su orientación visual.

¿Por qué es importante que la comunicación funcione en ambas direcciones?

El estudio también permitió investigar qué papel desempeñan las conexiones recíprocas, es decir, aquellas que permiten que dos regiones intercambien información en ambos sentidos.

Los modelos mostraron que la persistencia de los patrones de actividad compatibles dependía de esas interacciones de largo alcance.

Cuando los investigadores modificaron las conexiones entre las regiones en sus modelos, disminuyó la capacidad del circuito para mantener una actividad coordinada.

Además, en los registros experimentales, reducir temporalmente la actividad de una región disminuía la persistencia de las fluctuaciones lentas en la otra.

Estos resultados sugieren que las conexiones entre regiones no se limitan a transmitir información de un lugar a otro. También pueden contribuir activamente a estabilizar determinados patrones de actividad neuronal.

El mecanismo proporciona una explicación de cómo dos áreas cerebrales pueden mantener respuestas compatibles durante el procesamiento de información visual.

¿Significa que ya sabemos cómo el cerebro construye nuestra percepción?

Todavía no.

La investigación se centró en dos regiones visuales de ratones durante una tarea relativamente sencilla. Sus resultados no demuestran que todos los circuitos del cerebro humano funcionen mediante exactamente el mismo mecanismo.

Además, los autores reconocen que identificar todas las interacciones responsables de la actividad neuronal a partir de registros experimentales y modelos matemáticos continúa siendo un desafío.

El equipo plantea que mecanismos similares podrían participar en otras formas de procesamiento cerebral, pero esa posibilidad necesita estudiarse mediante experimentos con más regiones y tareas de mayor complejidad.

Por tanto, el estudio no explica por completo la conciencia, el pensamiento ni la toma de decisiones humanas.

Su principal contribución consiste en identificar un mecanismo concreto mediante el cual dos regiones corticales pueden coordinar sus patrones de actividad durante el procesamiento visual.

Una nueva pista para comprender cómo trabaja el cerebro

Comprender cómo se coordinan distintas regiones cerebrales representa uno de los desafíos de la neurociencia.

Los resultados de esta investigación muestran que las conexiones neuronales pueden desempeñar un papel más complejo que el simple transporte de señales: también pueden influir en cuáles patrones de actividad persisten y cuáles desaparecen.

Si futuras investigaciones encuentran mecanismos semejantes en otros circuitos, será posible comprender mejor cómo el cerebro integra información distribuida entre regiones especializadas.

Por ahora, el estudio ofrece una explicación específica de cómo dos áreas visuales mantienen una actividad coordinada y abre nuevas preguntas sobre la manera en que el cerebro consigue funcionar como un sistema integrado.