Identifican las neuronas que reflejan la realidad tal como es

En el cerebro existen tres tipos de conexiones neuronales. Una de ellas es la red de conexiones densas entre diversas partes de la corteza cerebral. Forman una especie de red tupida de carreteras comarcales que conectan entre sí a pueblos pequeños, al mismo tiempo que coordinan y sincronizan la actividad de muchos grupos de neuronas. Durante la noche, mientras dormimos, esta primera red queda apagada.

Hay una segunda red de conexiones que es más bien como una red de autopistas que conectan áreas especiales del cerebro: las conexiones se realizan a gran velocidad, hay circulación en doble sentido y pocas salidas intermedias.

La tercera red de conexiones cerebrales se produce mediante la difusión de unas moléculas llamadas neurotransmisores, que parten desde unos núcleos especiales y se dirigen a diversas zonas del cerebro, donde modifican o modulan la intensidad de las conexiones entre neuronas. Esta red recuerda a las emisoras de radio que envían señales a un gran número de oyentes: las ondas son los neurotransmisores y los receptores las neuronas. Así lo explica el catedrático de la UAB, David Jou, en su libro “Cerebro y Universo: dos cosmologías” (Ediciones UAB, 2011, pág. 43 y ss.)

Sin embargo, los neurocientíficos conocen desde hace tiempo la existencia de una red de conexiones densas en el cerebro que se extienden a través de distintas partes del neocórtex y que transmiten también información importante. Su característica es diferente a las demás redes de conexiones, ya que son lo que en inglés se denomina feedback connections, es decir, conexiones que se retroalimentan y que en ocasiones van en “dirección prohibida”, siguiendo la analogía de Jou.

Esta característica insólita ha desconcertado a los científicos: llevan décadas intentando descubrir cómo se organizan estas conexiones y el papel que desempeñan en las funciones cognitivas.

Conexiones disruptivas

Hasta ahora se creía que el proceso de la visión era jerárquico, basado en una información que procedente de las capas inferiores (que reciben la información obtenida por los ojos),  asciende a las estructuras superiores del neocórtex para extraer las características básicas de los objetos, como contornos, colores, etc.

Lo sorprendente de las feedback connections es que no siguen ese orden jerárquico del proceso de la visión, sino que descienden desde las capas cerebrales superiores a las inferiores, sin que los neurocientíficos supieran hasta ahora muy bien a qué se debe ese comportamiento insólito.

Una nueva investigación, desarrollada en el Centro Champalimaud de lo Desconocido de Lisboa, ha obtenido la explicación. Lo primero que ha descubierto es que estas conexiones forman un espacio exquisitamente organizado y que proporcionan información importante para la percepción visual, el proceso mediante el cual el cerebro transforma la información lumínica captada por el ojo en una recreación (mental) de la realidad externa.

"Las conexiones de retroalimentación son muy complicadas", explica el investigador principal, Leopoldo Petreanu, en un comunicado.  "Bajo el microscopio, parecen una extensa malla de cables entrelazados como un cuenco de espagueti. Y para empeorar las cosas, los cables entrelazados codifican una variedad de señales. Realmente no estaba claro si había algún orden en este lío", añade.

Misterio resuelto

Para resolver el misterio, Petreanu, junto con Tiago Marques y Julia Nguyen,  coautores del estudio, utilizaron un método único desarrollado por Petreanu hace algunos años. Con este método, los investigadores midieron la actividad en los puntos de conexión reales hechos entre estructuras superiores e inferiores de esta red neuronal desconcertante.

"Este método nos proporcionó una visión innovadora sobre cómo se organizan las conexiones de retroalimentación y cómo esta organización puede dar forma a la percepción visual", dice Marques.

"Oculto en la maraña de cables descubrimos que hay una organización hermosa, donde las conexiones de retroalimentación apuntan a neuronas específicas situadas en estructuras cerebrales inferiores, que son las que reciben la imagen de la realidad procedente de los ojos".

Los investigadores también apreciaron que estas conexiones de retroalimentación siguen un patrón particular y que su función principal es proporcionar una imagen completa de la realidad exterior: por ejemplo, si el ojo ve una esfera verde desplazándose por el espacio, las conexiones de retroalimentación relacionan esa información con la del espacio (una pista de tenis) y completan la información dibujando la imagen de una pelota de tenis en el cerebro.

Los investigadores consideran que estas conexiones aprenden de la experiencia de observación del mundo y que utilizan esta información para completar la información visual.

El resultado también desvela cómo está organizado el neocórtex para estos cometidos y cómo se genera en el cerebro la percepción visual, algo que no sólo beneficiará a la biología, sino también a la inteligencia artificial.

Referencia

The functional organization of cortical feedback inputs to primary visual cortex. Tiago Marques, Julia Nguyen, Gabriela Fioreze & Leopoldo Petreanu. Nature Neuroscience (2018). DOI:10.1038/s41593-018-0135-z