Los seres humanos pueden realizar una amplia gama de operaciones mentales y ajustar sus respuestas de comportamiento basadas en instrucciones externas y creencias internas. Por ejemplo, para aprovechar tu ritmo musical, tu cerebro debe procesar el sonido entrante y también utilizar tu conocimiento interno de cómo va la canción.
Instituto de Tecnología de Massachusetts
Los neurocientíficos del MIT ahora han identificado una estrategia que utiliza el cerebro para seleccionar rápidamente y realizar con flexibilidad diferentes operaciones mentales. Para hacer este descubrimiento, aplicaron un marco matemático conocido como análisis de sistemas dinámicos para comprender la lógica que gobierna la evolución de la actividad neuronal en grandes poblaciones de neuronas.
«El cerebro puede combinar señales internas y externas para realizar cómputos novedosos sobre la marcha», dice Mehrdad Jazayeri, el Profesor Robert A. Swanson de Desarrollo de Carrera de Ciencias de la Vida, miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT y autor principal del estudiar. «Lo que hace que esto sea extraordinario es que podemos hacer ajustes a nuestro comportamiento en una escala de tiempo mucho más rápida que la que puede cambiar el hardware del cerebro. Resulta que el mismo hardware puede asumir muchos estados diferentes, y el cerebro usa instrucciones y creencias para seleccionar entre esos estados «.
El trabajo previo del grupo de Jazayeri ha encontrado que el cerebro puede controlar cuándo iniciará un movimiento al alterar la velocidad a la que los patrones de actividad neuronal evolucionan con el tiempo. Aquí, encontraron que el cerebro controla esta velocidad de forma flexible basándose en dos factores: entradas sensoriales externas y ajuste de los estados internos, que corresponden al conocimiento sobre las reglas de la tarea que se realiza.
Evan Remington, un postdoctorado del Instituto McGovern, es el autor principal del artículo, que aparece en la edición del 6 de junio de Neuron . Otros autores son el ex postdoctorado Devika Narain y el estudiante graduado del MIT Eghbal Hosseini.
En sus marcas, listos, fuera
Los neurocientíficos creen que la «flexibilidad cognitiva», o la capacidad de adaptarse rápidamente a la nueva información, reside en las áreas corticales superiores del cerebro, pero se sabe poco sobre cómo el cerebro logra este tipo de flexibilidad.
Para comprender los nuevos hallazgos, es útil pensar cómo se pueden usar los interruptores y los diales para cambiar la salida de un circuito eléctrico. Por ejemplo, en un amplificador, un interruptor puede seleccionar la fuente de sonido controlando la entrada al circuito, y un dial puede ajustar el volumen controlando parámetros internos, como una resistencia variable. El equipo del MIT teorizó que el cerebro transforma de manera similar las instrucciones y creencias en entradas y estados internos que controlan el comportamiento de los circuitos neuronales.
Para probar esto, los investigadores registraron la actividad neuronal en la corteza frontal de animales entrenados para realizar una tarea de tiempo flexible llamada «listo, listo, listo». En esta tarea, el animal ve dos destellos visuales: «listo» y «conjunto», que están separados por un intervalo en cualquier lugar entre 0,5 y 1 segundo, e inicia un movimiento: «adelante»: algún tiempo después de «ajuste». El animal tiene que iniciar el movimiento de modo que el intervalo «set-go» sea el mismo o 1.5 veces el intervalo «ready-set». La instrucción de si usar un multiplicador de 1 o 1.5 se proporciona en cada prueba.
Las señales neuronales registradas durante el intervalo «set-go» transportaron claramente información sobre el multiplicador y la longitud medida del intervalo «ready-set», pero la naturaleza de estas representaciones parecía desconcertantemente compleja. Para descifrar la lógica detrás de estas representaciones, los investigadores utilizaron el marco de análisis de sistemas dinámicos. Este análisis se utiliza en el estudio de una amplia gama de sistemas físicos, desde simples circuitos eléctricos hasta transbordadores espaciales.
La aplicación de este enfoque a los datos neuronales en la tarea «listo, listo, listo» permitió a Jazayeri y sus colegas descubrir cómo el cerebro ajusta las entradas y las condiciones iniciales de la corteza frontal para controlar los tiempos de movimiento de manera flexible. Una operación similar a un interruptor establece la entrada asociada con el multiplicador correcto, y una operación similar a un dial ajusta el estado de las neuronas basándose en el intervalo «listo para usar». Estas dos estrategias de control complementarias permiten que el mismo hardware produzca diferentes comportamientos.
«Un puente entre el comportamiento y la neurobiología».
Según los investigadores, quedan muchas preguntas sin responder sobre cómo el cerebro logra esta flexibilidad. Ahora están tratando de averiguar qué parte del cerebro envía información sobre el multiplicador a la corteza frontal, y también esperan estudiar lo que sucede en estas neuronas cuando aprenden primero las tareas que requieren que respondan con flexibilidad.
«No hemos conectado todos los puntos de la flexibilidad del comportamiento a los detalles neurobiológicos. Pero lo que hemos hecho es establecer una comprensión algorítmica basada en las matemáticas de los sistemas dinámicos que sirve de puente entre el comportamiento y la neurobiología», dice Jazayeri.
Los investigadores también esperan explorar si este tipo de modelo podría ayudar a explicar el comportamiento de otras partes del cerebro que tienen que realizar cálculos de manera flexible.
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