Lo que vio el cerebro

Marzo 30, 2011

Lo que vio el cerebro

Marzo 30, 2011

LA JOLLA, CA—En el momento en que abrimos los ojos, percibimos el mundo con aparente facilidad. Pero la pregunta de cómo las neuronas en la retina codifican lo que "vemos" ha sido complicada. Un obstáculo clave para comprender cómo funciona nuestro cerebro es que sus componentes, las neuronas, responden de manera muy no lineal a estímulos complejos, lo que hace que las relaciones estímulo-respuesta sean extremadamente difíciles de discernir.

Ahora, un equipo de físicos del Instituto Salk de Estudios Biológicos ha desarrollado un marco matemático general que hace un uso óptimo de mediciones limitadas, acercándolos un paso más a descifrar el "lenguaje del cerebro". El enfoque, descrito en el número actual de la Biblioteca Pública de Ciencias, Biología Computacional, revela por primera vez que solo se transmite al cerebro información sobre pares de patrones de estímulo temporal.

Las distribuciones de picos para las neuronas que responden a dos características pueden tener formas que son difíciles de entender.

Imagen: Cortesía de la Dra. Tatyana Sharpee, Instituto Salk de Estudios Biológicos

"Nos sorprendió descubrir que las combinaciones de estímulos de orden superior no estaban codificadas, porque son muy frecuentes en nuestro entorno natural", dice el líder del estudio. Tatiana Sharpee, Ph.D., profesor asistente en el Laboratorio de Neurobiología Computacional y titular de la Cátedra de Desarrollo Helen McLorraine en Neurobiología. “Los humanos son bastante sensibles a los cambios en combinaciones de patrones espaciales de orden superior. Descubrimos que no es el caso de los patrones temporales. Esto destaca una diferencia fundamental en los aspectos espaciales y temporales de la codificación visual”.

El rostro humano es un ejemplo perfecto de una combinación de patrones espaciales de orden superior. Todos los componentes —ojos, nariz, boca— tienen relaciones espaciales muy específicas entre sí, y ni siquiera Picasso, en su época cubista, pudo tirar por la borda las reglas.

Nuestros ojos captan el entorno visual y transmiten información sobre los componentes individuales, como el color, la posición, la forma, el movimiento y el brillo al cerebro. Las neuronas individuales en la retina se excitan con ciertas características y responden con una señal eléctrica, o pico, que se transmite a los centros visuales del cerebro, donde se ensambla y procesa la información enviada por las neuronas con diferentes preferencias.

Para eventos sensoriales simples, como encender una luz, por ejemplo, el brillo se correlaciona bien con la probabilidad de pico en una célula sensible a la luminancia en la retina. "Sin embargo, durante la última década más o menos, se ha hecho evidente que las neuronas en realidad codifican información sobre varias características al mismo tiempo", dice el estudiante graduado y primer autor Jeffrey D. Fitzgerald.

Ejemplo del estímulo de luz parpadeante presentado durante el experimento.

Película: Cortesía de la Dra. Tatyana Sharpee, Instituto Salk de Estudios Biológicos

“Hasta este punto, la mayor parte del trabajo se ha centrado en identificar las características a las que responde la célula”, dice. “Se había ignorado la cuestión de qué tipo de información sobre estas características está codificando la célula. Las mediciones directas de las relaciones estímulo-respuesta a menudo arrojaron formas extrañas [ver la Figura 1, por ejemplo], y las personas no tenían un marco matemático para analizarlas”.

Para superar esas limitaciones, Fitzgerald y sus colegas desarrollaron el llamado modelo mínimo de las relaciones no lineales de los sistemas de procesamiento de información al maximizar una cantidad que se conoce como entropía de ruido. Este último describe la incertidumbre sobre la probabilidad de que una neurona se dispare en respuesta a un estímulo.

Cuando Fitzgerald aplicó este enfoque a las grabaciones de neuronas visuales probadas con películas parpadeantes, que habían hecho el coautor Lawrence Sincich y Jonathan Horton de la Universidad de California en San Francisco, descubrió que, en promedio, las correlaciones de primer orden representaban el 78 por ciento. de la información codificada, mientras que las correlaciones de segundo orden representaron más del 92 por ciento. Por lo tanto, el cerebro recibió muy poca información sobre las correlaciones que eran superiores al segundo orden.

“Los sistemas biológicos en todas las escalas, desde las moléculas hasta los ecosistemas, pueden considerarse procesadores de información que detectan eventos importantes en su entorno y los transforman en información procesable”, dice Sharpee. "Por lo tanto, esperamos que esta forma de 'enfocar' los datos mediante la identificación de relaciones estímulo-respuesta críticas y máximamente informativas sea útil en otras áreas de la biología de sistemas".

El trabajo fue financiado en parte por los Institutos Nacionales de Salud, el Programa Becario Searle, la Beca Alfred P. Sloan, el Premio a la Excelencia en Investigación WM Keck y el Premio al Desarrollo Profesional Ray Thomas Edwards en Ciencias Biomédicas.

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.