¿De qué lado es cuál?: Cómo percibe el cerebro los bordes

¿De qué lado es cuál?: Cómo percibe el cerebro los bordes

Los científicos de Salk han descubierto que las neuronas en lo profundo de la corteza cerebral son las primeras en calcular qué lado de un borde visual es un objeto y qué lado es el fondo.

LA JOLLA—En la clásica ilusión óptica del “jarrón de Rubin”, se puede ver un elaborado jarrón con curvas o dos caras, las narices casi tocándose. En un momento dado, la escena que percibes depende de si tu cerebro está viendo la forma del jarrón central como el primer plano o el fondo de la imagen.

Ahora, profesor Juan Reynolds y el becario postdoctoral senior Tom Franken han avanzado en la comprensión de cómo el cerebro decide qué lado de un borde visual es un objeto de primer plano y cuál es el fondo. La investigación, publicada el 30 de noviembre de 2021 en la revista ELIFE, arroja luz sobre cómo se comunican las áreas del cerebro para interpretar la información sensorial y construir una imagen del mundo que nos rodea.

“La forma en que el cerebro organiza y genera una representación del mundo exterior sigue siendo una de las mayores incógnitas de la neurociencia actual”, dice Reynolds, titular de la Cátedra Fiona y Sanjay Jha en Neurociencia. "Nuestra investigación proporciona información importante sobre cómo el cerebro procesa los bordes, lo que podría conducir a una mejor comprensión de las condiciones psiquiátricas en las que se altera la percepción, como en la esquizofrenia".

Cuando ves una escena frente a ti, cada una de las neuronas individuales en la corteza cerebral recibe información sobre una región minúscula de la escena. Las neuronas que reciben información del borde de un objeto tienen poco contexto inicial sobre qué lado está en primer plano. Sin embargo, los científicos descubrieron previamente un conjunto de celdas que señalan muy rápidamente qué lado del borde pertenece al objeto ("propiedad del borde"); después de todo, la percepción de profundidad y la capacidad de elegir objetos frente a usted son fundamentales para sobrevivir: ¿es un bordillo o una sombra, una roca o una cueva?

No está claro exactamente cómo estas neuronas en el cerebro calculan la propiedad de la frontera. Algunos científicos plantearon la hipótesis de que a medida que la información del ojo pasa a través del cerebro, hacia áreas sucesivamente más aguas abajo (más profundas), se producen cálculos adicionales en cada área hasta que su cerebro construye un modelo de la escena visual. Esto se llama la vía de “alimentación hacia adelante”. Pero otros científicos plantearon la hipótesis de la importancia de la vía de "retroalimentación", en la que las áreas posteriores del cerebro primero deben procesar la información y luego enviar estas pistas a las neuronas en las áreas anteriores, para ayudarlas a descubrir la propiedad de la frontera.

Reynolds y Franken se propusieron determinar qué hipótesis era la correcta. Usaron electrodos para registrar la actividad de las neuronas en diferentes capas de la corteza cerebral mientras los animales veían una imagen de un objeto cuadrado sobre un fondo en blanco. Los científicos primero determinaron qué neuronas en particular estaban procesando información de una pequeña parte del borde que delimita el cuadrado y el fondo; luego midieron el tiempo de las señales de propiedad del borde en estas neuronas y lo compararon con neuronas en diferentes capas.

"Lo que encontramos es que las señales más tempranas sobre la propiedad de la frontera ocurren en las neuronas en las capas profundas de la corteza cerebral", dice Franken, quien es médico científico y recibió el premio K99 Pathway to Independence de los Institutos Nacionales de Salud. "Esto respalda la importancia de la vía de retroalimentación para descifrar los bordes, porque las conexiones de retroalimentación llegan y salen de las neuronas en capas profundas".

Los investigadores también observaron que las neuronas apiladas verticalmente en diferentes capas de la corteza tendían a compartir la misma preferencia de propiedad del borde. Por ejemplo, ciertas columnas de neuronas preferían escenas en las que el lado izquierdo de un borde era el objeto, mientras que otras columnas de neuronas preferían escenas en las que el lado derecho de un borde era el objeto. Franken explica que estos hallazgos sugieren que la retroalimentación en realidad podría organizarse de manera sistemática, una vía prometedora para futuras investigaciones.

“A medida que entendemos la arquitectura del cerebro y cómo los conjuntos de neuronas se comunican entre sí para construir nuestra representación interna del mundo externo, estamos mejor posicionados para desarrollar herramientas de diagnóstico y tratamientos para trastornos cerebrales en los que estas representaciones internas son distorsionada, como la esquizofrenia”, dice Franken. "Las alucinaciones y los delirios asociados con la esquizofrenia pueden estar asociados con las interrupciones de los bucles de retroalimentación".

A continuación, Franken hará un seguimiento de estos resultados con experimentos para investigar cómo la información transmitida por la retroalimentación contribuye al procesamiento de los bordes.

El trabajo fue apoyado por subvenciones de la Fundación George E. Hewitt para la Investigación Médica, una Subvención NARSAD para Jóvenes Investigadores de la Fundación para la Investigación del Cerebro y el Comportamiento y el Instituto Nacional del Ojo de los Institutos Nacionales de Salud.

DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.72573