Cambios bruscos en la actividad neuronal permiten al cerebro establecer categorías

Un equipo de neurobiólogos del Instituto de Investigación de Patología Molecular (IMP) de Viena ha investigado cómo es capaz el cerebro de agrupar los estímulos que recibe del exterior en categorías estables.

A raíz de esta investigación, los científicos han logrado establecer que la clave de esta capacidad radica en la dinámica discontinua de los circuitos neuronales del cerebro. Sus resultados han sido publicados por la revista Neuron.

¿Cómo somos capaces de reconocer la cara de un amigo, sin importar las condiciones de luz o el peinado que lleve? ¿Por qué siempre escuchamos las mismas palabras, independientemente de si las dice un hombre o una mujer o de si estos hablan con una voz potente o con una voz suave?

Todo es gracias a la sorprendente habilidad que tiene nuestro cerebro para convertir una gran cantidad de información sensorial en una serie de categorías definidas.

El trabajo realizado en el IMP de Viena por el neurobiólogo Simon Rumpel y su colaborador Brice Bathellier ha permitido demostrar ahora que esta formación de categorías se produce gracias a ciertas propiedades de las redes neuronales del cerebro.

La clave: una característica de la actividad neuronal

Según publica el IMP en un comunicado, en experimentos realizados con ratones, los investigadores produjeron una gran variedad de sonidos y registraron la actividad de ciertos conjuntos de células nerviosas situadas en la corteza auditiva del cerebro de estos animales, en respuesta a dichos sonidos.

De este modo, constataron que grupos de entre 50 y 100 neuronas desplegaban sólo un número limitado de diversos patrones de actividad en respuesta a sonidos distintos.

Por otro lado, los ratones fueron entrenados para discriminar entre dos sonidos. Después, fueron expuestos a un tercer sonido, al tiempo que se registraba su actividad neuronal.

Si la respuesta al tercer tono resultaba similar a la respuesta neuronal al primer o al segundo estímulo sonoro -para los que los ratones habían sido entrenados- se consideraba que existía un similitud de la percepción en ambos casos.

A partir de estos experimentos, los científicos constataron que la respuesta del cerebro a nuevos estímulos sonoros no constituyó un cambio continuo en los patrones de actividad de las células nerviosas, sino más bien una transición brusca.

Sustrato para la formación de categorías, también en máquinas

Este hallazgo de transiciones bruscas en los patrones neuronales que facilitan la percepción demuestra que los estados discontinuos de las redes neuronales proporcionan un sustrato para la formación de categorías en los circuitos cerebrales, afriman los científicos.

Los autores sugieren que estas transiciones podrían, por tanto, resultar esenciales para elaborar funciones cognitivas, tales como el procesamiento del lenguaje –caracterizado por la categorización-.

Los resultados obtenidos tienen una relación con la informática: aunque nosotros percibamos nuestra capacidad de categorización -o de crear constantes en un mundo cambiante- como algo natural, que no cuesta ningún esfuerzo, resulta muy difícil entrenar a un equipo informático para que realice una tarea similar. En este sentido, el comportamiento dinámico brusco constatado en las redes neuronales recuerda la conducta de ciertas redes artificiales sugeridas por los informáticos como solución a los problemas de categorización en máquinas.

Más sobre el cerebro y las categorías

Esta no es la primera vez que los neurólogos tratan de explicar nuestra capacidad de categorización a partir de características del cerebro. En otro estudio, realizado en 2011 por investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, se consiguió establecer por vez primera una relación entre las imágenes de la actividad neuronal del cerebro humano y determinados conceptos.

En aquel caso, la investigación fue realizada con humanos y con tecnología de resonancia magnética funcional (fMRI). En este experimento, la relación establecida entre la actividad neuronal y las categorías fue tan clara, que los científicos pudieron incluso predecir los temas en los que pensaban los participantes en el estudio, a partir sólo de imágenes de su cerebro.

Por otra parte, en 2010, investigadores del Center for Mind and Brind de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos) determinaron que una pequeña y profunda área cerebral denominada corteza perirhinal es esencial en la formación de recuerdos conceptuales inconscientes.

El hallazgo fue realizado a partir del análisis de personas que sufrían amnesia por daño en la corteza perirhinal, y que demostraron ser incapaces de relacionar palabras con ciertas categorías, como la palabra “silla” con la categoría “mueble”.

Referencia bibliográfica:

Brice Bathellier et al. Discrete neocortical dynamics predict behavioural categorization of sounds. Neuron 76, 435–449, October 18, 2012.