¡Nuevas ideas en neurociencia! Reseña libro: The brain from the inside out, de Gyorgy Buzsaki. Parte 2.

Thursday, 17 de September de 2020




Regresando a lo fundamental: La acción.
A continuación, veremos dos ejemplos de líneas de investigación que se valieron de esta aproximación.

Células de lugar: En 1971, John O’Keefe y su estudiante de maestría Jonathan Dostrovsky comenzaron haciendo registros electrofisiológicos extracelulares en el hipocampo de ratas despiertas, dejando a los animales comportarse espontáneamente. Por casualidad, [1-2] encontraron 8 neuronas de la región CA1 que incrementaban su tasa de descarga exclusivamente cuando el animal estaba localizado en lugares específicos de la caja de registro (Fig 2). Motivados por el descubrimiento, intentaron identificar el estímulo que desencadenaba la actividad de estas neuronas, probaron mostrándole objetos que estaban presentes en el campo visual pero la respuesta de estas neuronas parecía no depender de algún estímulo en particular; solamente encontraron que la actividad de las neuronas desaparecía si cambiaban la localización de los objetos circundantes más salientes o si apagaban las luces de la sala.

Figura 2. Representación de tres células de lugar en el hipocampo, estas células se activan cuando el animal se encuentra en un lugar específico del espacio, estas células suelen organizarse en distintos ciclos de theta (representada en el dibujo como una línea gris oscilando). Cada potencial de acción está representado como una línea. 

El emocionante artículo de O’Keefe y Dostrovsky [1] es una descripción casi anecdótica de los hallazgos; para interpretar los resultados retomaron la propuesta de los mapas cognitivos de Edward Tolman [3] e hipotetizaron que las células registradas podrían representar componentes espaciales. Los años posteriores al descubrimiento de estas células llevaron a John O’Keefe  a proponer la hipótesis de “El hipocampo como mapa cognitivo” [4], donde extrapolan el papel de las células de lugar que, en principio, podrían sustentar aspectos tan abstractos como eventos biográficos en los humanos. En este caso, los investigadores comenzaron enfocándose en la actividad cerebral y luego propusieron un proceso que podría estar explicando los datos. 

Movimientos sacádicos: “Ver no es una función pasiva como si se tratase de una cámara,  se trata de un escaneo activo del entorno (…)” (p. 73); en condiciones naturales, los movimientos que realiza el ojo (conocidos como movimientos sacádicos) dirigen la identificación de los componentes de una escena visual, el cerebro se vale de los movimientos sacádicos para obtener los “fragmentos discretos de información” que posee una imagen [Fig 3-A].

Resulta curioso que la mayoría de las investigaciones en EEG eviten activamente los movimientos sacádicos (por ejemplo, colocando cruces de fijación y descartando ensayos que tengan “contaminación ocular” [5]). “Nuestro sistema visual tiene una paradoja incorporada: debemos fijar nuestra mirada para inspeccionar los detalles minuciosos de nuestro mundo, pero si fijáramos la vista perfectamente, el mundo entero se desvanece”[6]. Una conocida ilusión óptica ilustra la importancia de los movimientos sacádicos en la percepción [Fig 3-B]. Cada vez hay más investigaciones que utilizan directamente los movimientos sacádicos (en la literatura aparecen como Fixation related potentials o Saccadic eye movement related potentials), en estos protocolos, los investigadores utilizan los movimientos sacádicos como marcadores para alinear los potenciales relacionados con eventos (ERP) [7] [Fig3-C].


Fig 3. A. Cuando observamos la fotografía, los ojos la recorren percibiendo uno a uno los detalles. La técnica de Eye Tracking permite hacer seguimiento del punto hacia donde los ojos están viendo.  B. Fenómeno Phi, observe fijamente la cruz del centro, notará que los círculos morados se desvanecerán ¿hay un nuevo círculo verde?, cuando mueva los ojos el efecto desaparecerá. El movimiento ocular es necesario para percibir adecuadamente un estímulo. C. Registro simulado, en este caso, el artefacto generado por el movimiento sacádico es el trigger para alinear los ensayos en un protocolo de ERP.

Evidencia reciente [8] apunta hacia el mismo sentido de la propuesta de este apartado, se ha demostrado que la corteza motora proyecta axones que modulan de manera importante la actividad de la corteza visual primaria, una región cuya actividad se asumía que dependía mayoritariamente de la actividad proveniente de la retina [Fig 4]. 



Estudiar la acción no descarta la existencia de un mundo virtual

Si bien al basarnos en la actividad cerebral y la acción, podemos evitar tener que referirnos a los procesos mentales, esta propuesta no descarta que el cerebro pueda exhibir procesos cerebrales, de hecho, Buzsáki deduce que las propiedades auto-organizativas del cerebro le permiten tener actividad desligada de la actividad sensorial y el control inmediato del cuerpo, haciendo posible la existencia de mundos virtuales.

Un ejemplo concreto de este tipo de actividad ocurre durante el sueño y conductas consumatorias, cuando el cerebro despliega “el evento más sincrónico en el cerebro mamífero” (p. 216), los Sharp Wave Ripples [Fig 5-A],  se ha hipotetizado que esta actividad es responsable de la transferencia de información que poseen las células de lugar desde el hipocampo a la corteza, y estaría implicada en la consolidación de trayectorias espaciales. Además de la reactivación offline de las células de lugar, existen las células episódicas (episodic/time cells), cuya actividad reflejaría la “planeación” de una trayectoria futura y la estimación de un intervalo temporal [Fig 5-B].   

 
Figura 5- A. Luego de recorrer una trayectoria, en el hipocampo se reactivan las células de lugar de una manera rápida y coordinada (note cómo las neuronas se reactivan rápidamente en orden: del más próximo -célula de lugar roja- al más distante - célula de lugar azul-), en el registro de campo, se observan oscilaciones rápidas ~140Hz (trazo gris). B. El hipocampo también es sede de las células episódicas. En este experimento [9], el animal iniciaba en el centro del laberinto y recorrer el laberinto de manera alternada (primero a la izquierda, luego a la derecha) para obtener un reforzador (agua), pero antes debía permanecer  corriendo en el punto de inicio durante 10 segundos en una rueda de actividad. Conforme iba avanzando el experimento, los investigadores encontraron una población de neuronas que descargaba durante el tiempo de espera, funcionando como un temporizador interno; curiosamente, la neuronas reclutadas era dependiente del camino que iba a ser elegido, como si estuviera de algún modo “planeando el recorrido”, la actividad de estas células pudo predecir inclusive cuando el animal iba a hacer el recorrido erróneo (!). Estas células también estaban implicadas en la percepción del intervalo de tiempo en la rueda de actividad. 

Juntando estos dos fenómenos (y otros discutidos a lo largo de los capítulos 5, 7 y 8), aportan evidencia a la existencia de modos de funcionamiento desligados de la actividad inmediata y reflejan acciones en diferido. En palabras de Buszáki: “La desconexión del cerebro con el entorno puede contribuir a [lo que llamamos] cognición” (p. 180).

¿¡“Para el cerebro no hay nada nuevo”!?

Esta es una de las ideas más provocadoras -y más difíciles de asimilar- del libro. En el capítulo 10, Buzsáki va un paso más allá apartándose de la idea del hipocampo como sede de los mapas cognitivos.

Según propone Buzsáki, el cerebro posee al inicio de la vida de un sujeto una gran cantidad de neuronas que forman redes conectadas entre sí por defecto; luego la acción y la experiencia se encargarían de fortalecer dichas conexiones y otorgarles significado. El papel del hipocampo sería el de organizarlas en el mismo orden que fueron experimentados durante el aprendizaje [10] (Fig 5). “En lugar de almacenar todas las frases neuronales posibles, la corteza puede almacenar todas las palabras por separado, mientras que el hipocampo concatena su orden secuencial” (p. 274). Según Vinogradov et al.[11]: “(…) durante el aprendizaje exitoso, el cerebro promueve selectivamente patrones de actividad neuronal -representaciones corticales- que representan estímulos y comportamientos significativos tanto a niveles bajos como altos de procesamiento, particularmente aquellos asociados con una recompensa". Una consecuencia de poseer un número limitado de redes conectadas por defecto es la imposibilidad de poder asociar algunas conductas, como enseñarle a un mapache a depositar monedas en una alcancía (esto es semejante a la teoría de sistemas de conducta [12]).
 
Fig 5. La evidencia a favor del hipocampo como generador de secuencias se encuentra en los pacientes con daño en esta estructura. En un experimento simulado, los participantes observan una secuencia de dibujos que narran una historia, luego de un tiempo se les pide que recobren el contenido de las fotografías en orden cronológico. Los sujetos control recobran la historia en orden mientras que los pacientes con daño en hipocampo no. La gráfica fue tomada de [13].


Buzsáki es un reconocido investigador en neurociencia, los argumentos que presenta en su libro no solamente se basan en la coherencia lógica de las proposiciones (como en los textos de epistemología) sino que además hace uso de evidencia experimental, lo cual le otorga un matiz distinto al que podríamos estar acostumbrados con este tipo de lecturas. Hacia el final del libro el autor reconoce que su propuesta no pretende desestimar los adelantos llevados a cabo por la tradición Outside-in, sino que propone la visión inside-out con el objetivo de que futuras generaciones de investigadores comiencen a estudiar el cerebro sin la limitación que imponen las categorías heredadas de la psicología.

Notas
1. La descarga corolaria es una copia de un comando motor dirigido hacia otras regiones del cerebro. 
2. Meaning and significance es traducido como significado e importancia.

Referencias:
 
[1] O’Keefe, J., & Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research, 34(1), 171–175. doi:10.1016/0006-8993(71)90358-1
[3] Tolman, E. C. (1948). Cognitive maps in rats and men. Psychological review55(4), 189.
[4] O'keefe, J., & Nadel, L. (1978). The hippocampus as a cognitive map. Oxford: Clarendon
[5] Luck S. J. (2014) An Introduction to the Event-Related Potential Technique. MIT press.
[6] Martinez-Conde, S., Macknik, S. L., & Hubel, D. H. (2004). The role of fixational eye movements in visual perception. Nature reviews neuroscience5(3), 229-240.
[7] Jia, Y., & Tyler, C. W. (2019). Measurement of saccadic eye movements by electrooculography for simultaneous EEG recording. Behavior Research Methods51(5), 2139-2151.
[8] Guitchounts, G., Masis, J. A., Wolff, S. B., & Cox, D. (2020). Encoding of 3D Head Orienting Movements in Primary Visual Cortex. bioRxiv.
[9] Pastalkova, E., Itskov, V., Amarasingham, A., & Buzsáki, G. (2008). Internally generated cell assembly sequences in the rat hippocampus. Science321(5894), 1322-1327.
[10] Buzsáki, G., & Llinás, R. (2017). Space and time in the brain. Science358(6362), 482-485.
[11] Vinogradov, S., Fisher, M., & de Villers-Sidani, E. (2012). Cognitive training for impaired neural systems in neuropsychiatric illness. Neuropsychopharmacology37(1), 43-76.
[12] Cabrera, F., Jiménez, Á. A., & Covarrubias, P. (2019). Timberlake’s behavior systems: A paradigm shift toward an ecological approach. Behavioural processes167, 103892.
[13] Dede, A. J., Frascino, J. C., Wixted, J. T., & Squire, L. R. (2016). Learning and remembering real-world events after medial temporal lobe damage. Proceedings of the National Academy of Sciences113(47), 13480-13485.

The content published here is the exclusive responsibility of the authors.

Autor:

Moshé Alonso Amarillo

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