Un nuevo estudio de los investigadores del Instituto Allen recopiló y analizó el conjunto de datos más grande de la actividad eléctrica de las neuronas para obtener principios de cómo percibimos el mundo visual que nos rodea. El estudio, publicado el miércoles 21 de enero de 2021 en la revista Nature, captura los cientos de señales eléctricas de una fracción de segundo que se disparan cuando un animal está interpretando lo que ve.
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Su cerebro procesa el mundo que lo rodea casi instantáneamente, pero hay numerosos pasos rápidos como el rayo entre la luz que golpea sus retinas y el punto en el que se da cuenta de lo que está frente a usted. Los seres humanos tenemos tres docenas de áreas cerebrales diferentes responsables de comprender el mundo visual, y los científicos aún no conocen muchos de los detalles de cómo funciona ese proceso.
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“En un nivel muy alto, queremos entender por qué necesitamos tener múltiples áreas visuales en nuestro cerebro en primer lugar“, dijo Josh Siegle, Ph.D., investigador asistente en el programa MindScope del Instituto Allen. “¿Cómo se especializan cada una de estas áreas y luego cómo se comunican entre sí y sincronizan su actividad para guiar eficazmente sus interacciones con el mundo?“.
En el nuevo estudio, Siegle y otros investigadores de MindScope, Xiaoxuan Jia, Ph.D., científico principal; Shawn Olsen, Ph.D., investigador asociado; y Christof Koch, Ph.D., científico jefe dirigieron un equipo de investigadores para precisar algunos de esos detalles.
Neuropixeles: sondas más delgadas que el cabello humana
El equipo del Instituto Allen se volvió hacia el ratón, cuyo cerebro del tamaño de un frijol de lima sigue siendo increíblemente complicado. La visión del ratón no es la misma que la nuestra (por un lado, dependen más de otros sentidos que nosotros), pero los neurocientíficos creen que aún pueden aprender muchos principios generales sobre el procesamiento sensorial al estudiar estos animales.
Usando Neuropixels, sondas de silicio de alta resolución más delgadas que un cabello humano que leen la actividad de cientos de neuronas a la vez, el equipo construyó un conjunto de datos públicos de picos eléctricos de aproximadamente 100,000 neuronas en el cerebro del ratón.
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Este conjunto de datos no solo es la colección más grande de actividad eléctrica de neuronas en el mundo, sino que cada experimento en la base de datos capturó información de cientos de células cerebrales de hasta ocho regiones visuales diferentes del cerebro a la vez. La lectura simultánea de la actividad eléctrica en diferentes áreas del cerebro permitió a los científicos rastrear señales visuales en tiempo real a medida que pasaban de los ojos del ratón a regiones superiores de su cerebro.
Los investigadores encontraron que la información visual viaja a lo largo de una “jerarquía” a través del cerebro, en la que las áreas inferiores representan conceptos visuales más simples como la luz y la oscuridad, mientras que las neuronas en la parte superior de la jerarquía capturan ideas más complejas, como la forma de los objetos.
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“Históricamente, la gente ha estudiado una región del cerebro a la vez, pero el cerebro no media el comportamiento y la cognición con solo un área”, dijo Olsen. “Estamos aprendiendo que el cerebro opera a través de la interacción de áreas y señales enviadas de un área a otra, pero las limitaciones técnicas nos han impedido estudiar esto en profundidad en el pasado. Realmente necesitábamos la vista integrada que este conjunto de datos proporciona para comenzar para entender cómo funciona “.
Rastreando el mapa de tráfico del cerebro
El estudio de Neuropixels se basó en un estudio anterior del Instituto Allen que trazó un mapa del diagrama de cableado del cerebro del ratón, las conexiones físicas hechas por haces de axones entre muchas áreas diferentes del cerebro. Con datos del Atlas de conectividad cerebral del ratón Allen, ese estudio rastreó miles de conexiones dentro y entre el tálamo y la corteza, la capa más externa del cerebro de los mamíferos que es responsable de las funciones de nivel superior, incluido el procesamiento del mundo visual.
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Si los datos de conectividad son como la hoja de ruta del cerebro, el conjunto de datos de Neuropixels es similar a rastrear patrones de tráfico en el cerebro, dijo Koch. Aunque las señales en el cerebro se mueven en una fracción de segundo de una región a la siguiente, las sondas son lo suficientemente sensibles como para detectar retrasos de tiempo muy leves que permiten a los científicos dibujar un mapa en tiempo real de la ruta que toma la información visual en el cerebro. Al comparar los datos de Neuropixels con los de conectividad, los científicos pueden obtener una imagen más clara de cómo se mueve la información a lo largo de las carreteras neuronales.
“Es como si estuviéramos tratando de trazar un mapa de cómo las ciudades están conectadas al observar el movimiento de los automóviles en la carretera“, dijo Koch. “Si vemos un automóvil en Seattle y, unas horas más tarde, vemos ese mismo automóvil en Spokane y mucho más tarde vemos el automóvil en Minneapolis, entonces tenemos la idea de que la conexión de Seattle a Minneapolis tiene que pasar por Spokane en la manera.”
Como las carreteras de un país, el mapa de cableado de un cerebro no es una estructura simple. Hay muchas conexiones paralelas diferentes entre dos áreas del cerebro, incluso dos áreas vecinas. Y al igual que nuestro sistema de carreteras interestatales, carreteras arteriales y carreteras más pequeñas, el cerebro tiene conexiones más fuertes y más débiles. El simple hecho de conocer el mapa físico no es suficiente para predecir la ruta de la información visual.
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Los investigadores pudieron mapear las señales en una jerarquía utilizando los retrasos de tiempo que observaron en la actividad neuronal entre diferentes regiones del cerebro. También utilizaron otras medidas para confirmar la jerarquía, incluido el tamaño del campo visual al que responde cada neurona. Las células más bajas en la jerarquía están sintonizadas con porciones más pequeñas del mundo visual del animal, mientras que las neuronas de nivel superior reaccionan a regiones más grandes del espacio visual, presumiblemente porque esas células están integrando más información sobre una imagen completa frente al animal.
El cerebro usa entre el 30% y el 50% de la corteza solo para procesamiento visual
Los científicos capturaron la actividad neuronal tanto cuando los animales estaban viendo diferentes fotos e imágenes simples, como en ratones entrenados para responder a un cambio de imagen frente a sus ojos lamiendo una pequeña tromba de agua. Vieron que la información viajaba en el cerebro a través del mismo camino jerárquico en ambas situaciones. Cuando se entrenó a los ratones para responder a un cambio visual, sus neuronas visuales también alteraron su actividad, y las células superiores en la jerarquía mostraron cambios aún mayores.
Los científicos incluso pudieron decir con solo observar la actividad neuronal si un animal en particular había detectado con éxito un cambio en la imagen.
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Y si los investigadores apagaban todas las luces, sin dar a los animales información visual, muchas de las mismas neuronas visuales todavía se activaban, aunque más lentamente, pero el orden del flujo de información se perdía. Esto podría significar que la jerarquía es necesaria para procesar información visual, pero los animales usan las mismas células para otros propósitos en un circuito diferente.
Aunque este tipo de experimentos detallados no son posibles en humanos, los estudios que analizan la actividad cerebral general han visto un tipo similar de jerarquía, y cambios en la actividad cerebral, en las partes de nuestro cerebro responsables del procesamiento de sonido y visual. Los neurocientíficos creen que este tipo de procesamiento jerárquico se utiliza en todo el cerebro para comprender muchos aspectos del mundo que nos rodea, no solo lo que vemos.
“Sabemos que nuestra capacidad para crear representaciones coherentes de los objetos que estamos viendo es un proceso crítico para la supervivencia. Nuestros cerebros han designado alrededor del 30 al 50% de la corteza solo para el procesamiento visual“, dijo Jia. “Nuestro estudio sugiere que este procesamiento jerárquico de la información visual también es significativo o importante para el animal“.
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Fuente y referencia
Fuente: Allen Institute
Referencia del estudio: Allen Institute (2021). Tiny high-tech probes reveal how information flows across the brain. Survey of spiking in the mouse visual system reveals functional hierarchy. Nature, 2021; DOI: 10.1038/s41586-020-03171-x