A pesar de lo que puedas pensar, tu cerebro es un genio matemático

A pesar de lo que puedas pensar, tu cerebro es un genio matemático

Los neurocientíficos de Salk proponen cómo el sistema visual se adapta automáticamente a los nuevos entornos

LA JOLLA, CA—La ironía de irse a un lugar remoto es que normalmente tienes que luchar contra el tráfico para llegar allí. Después de horas de esquivar a conductores peligrosos, finalmente llegas a ese tranquilo refugio de montaña, miras las suaves aguas de un lago prístino y te felicitas por haber "apagado tu cerebro".

“En realidad, acabas de darle a tu cerebro un desafío completamente nuevo”, dice Thomas D Albright, director de la Laboratorio del Centro de Visión del Instituto Salk y experto en el funcionamiento del sistema visual. “Puede pensar que está descansando, pero su cerebro está evaluando automáticamente las propiedades espacio-temporales de este entorno novedoso: qué objetos hay en él, se están moviendo y, de ser así, ¿a qué velocidad se mueven?

El dilema es que nuestros cerebros solo pueden dedicar tantas neuronas a esta evaluación, dice Sergei Gepshtein, científico del personal del Laboratorio del Centro de Visión de Salk. “Es un problema de economía de recursos: si el sistema visual tiene recursos limitados, ¿cómo puede usarlos de manera más eficiente?”

Albright, Gepshtein y Luis A. Lesmes, especialista en medir el desempeño humano, ex investigador postdoctoral del Salk Institute, ahora en el Schepens Eye Research Institute, propusieron una respuesta a la pregunta en una edición reciente de Actas de la Academia Nacional de Ciencias. Puede reconciliar las desconcertantes contradicciones de muchos estudios anteriores.

Desde la izquierda: Sergei Gepshtein y Thomas D. Albright

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Anteriormente, los científicos esperaban que la exposición prolongada a un entorno novedoso mejoraría la detección de sus detalles sutiles, como el movimiento lento de las olas en ese lago. Sin embargo, aquellos que intentaron confirmar esa idea se sorprendieron cuando sus experimentos produjeron resultados contradictorios. “A veces, las personas mejoraron en la detección de un estímulo, a veces empeoraron, a veces no hubo ningún efecto y, a veces, las personas mejoraron, pero no para el estímulo esperado”, dice Albright, titular de la Cátedra Conrad T. Prebys de Salk en Visión. Investigación.

La respuesta, según Gepshtein, provino de hacer una nueva pregunta: ¿Qué sucede cuando observa el problema de la asignación de recursos desde la perspectiva de un sistema?

Resulta que algo tiene que ceder.

“Es como si el cerebro tuviera un presupuesto limitado; si dedica el 70 por ciento aquí, entonces solo puede dedicar el 30 por ciento allá”, dice Gepshtein. “Cuando ocurra la adaptación, si ahora estás sintonizado con las altas velocidades, podrás ver cosas que se mueven más rápido que antes no podías ver, pero como resultado de asignar recursos a ese estímulo, pierdes la sensibilidad a otros. cosas que pueden o no ser familiares”.

En resumen, Albright dice: "En pocas palabras, es una compensación: el precio de mejorar en una cosa es empeorar en otra".

Gepshtein, un neurocientífico computacional, analiza el cerebro desde el punto de vista de un teórico, y el PNAS El artículo detalla los cálculos que utiliza el sistema visual para lograr la adaptación. Los cálculos son similares al método de procesamiento de señales conocido como transformada de Gabor, que se utiliza para extraer características tanto en el dominio espacial como en el temporal.

Sí, si bien es posible que le cueste equilibrar su chequera, resulta que su cerebro está utilizando operaciones que le tomó a un premio Nobel describir. Dennis Gabor ganó el Premio Nobel de Física en 1971 por su invención y desarrollo de la holografía. Pero ese no fue su único logro. Al igual que su contemporáneo Claude Shannon, trabajó en algunas de las cuestiones más fundamentales de la teoría de las comunicaciones, por ejemplo, cómo se puede comprimir una gran cantidad de información en canales estrechos.

“Gabor demostró que las mediciones de dos propiedades fundamentales de una señal, su ubicación y contenido de frecuencia, no son independientes entre sí”, dice Gepshtein.

La ubicación de una señal es simplemente eso: dónde está la señal en qué momento. El contenido, el "qué" de una señal, está "escrito" en el lenguaje de las frecuencias y es una medida de la cantidad de variación, como los diferentes tonos de gris en una fotografía.

El desafío surge cuando intentas medir tanto la ubicación como la frecuencia, porque la ubicación se determina con mayor precisión en un período de tiempo corto, mientras que la variación necesita un período de tiempo más largo (imagínate con cuánta más precisión puedes adivinar una canción cuanto más tiempo se reproduce) .

La respuesta obvia es que está atrapado en un compromiso: puede obtener una medición precisa de uno u otro, pero no de ambos. Pero, ¿cómo puede estar seguro de haber encontrado el mejor compromiso posible? La respuesta de Gabor fue lo que se conoce como un “Filtro Gabor” que ayuda a obtener las medidas más precisas posibles para ambas cualidades. Nuestros cerebros emplean una estrategia similar, dice Gepshtein.

“En la visión humana, los estímulos son codificados primero por células neuronales cuyas características de respuesta, llamadas campos receptivos, tienen diferentes tamaños”, explica. “Las células neurales que tienen campos receptivos más grandes son sensibles a frecuencias espaciales más bajas que las células que tienen campos receptivos más pequeños. Por esta razón, las operaciones realizadas por la visión biológica pueden describirse mediante una transformada wavelet de Gabor”.

En esencia, las primeras etapas del proceso visual actúan como un filtro. “Describe qué estímulos entran y cuáles no”, dice Gepshtein. “Cuando cambias el entorno, el filtro cambia, por lo que ciertos estímulos, que antes eran invisibles, se vuelven visibles, pero debido a que moviste el filtro, otros estímulos, que quizás hayas detectado antes, ya no entran”.

“Cuando ves solo pequeñas partes de este filtro, descubres que la sensibilidad visual a veces mejora y otras veces empeora, creando una imagen aparentemente paradójica”, continúa Gepshtein. “Pero cuando ves el filtro completo, descubres que las piezas, las ganancias y las pérdidas, se suman en un patrón coherente”.

Desde un punto de vista psicológico, según Albright, lo que hace que esto sea especialmente intrigante es que la evaluación y la adaptación ocurren automáticamente; todo este procesamiento ocurre ya sea que usted "preste atención" conscientemente o no al cambio de escena.

Sin embargo, aunque la adaptación ocurre automáticamente, no parece ocurrir instantáneamente. Sus experimentos actuales tardan aproximadamente treinta minutos en realizarse, pero los científicos creen que la adaptación puede llevar menos tiempo en la naturaleza.

El trabajo fue apoyado por el Los Institutos Nacionales de Salud las Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Swartz, y la Fundación Kavli.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.