Un nuevo estudio de la actividad de casi 60.000 neuronas en el sistema visual del ratón revela hasta dónde tenemos que llegar para comprender cómo calcula el cerebro. Publicado hoy en la revista internacional Neurociencia de la naturaleza , el análisis dirigido por investigadores del Instituto Allen revela que más del 90% de las neuronas de la corteza visual, la parte del cerebro que procesa nuestro mundo visual, no funcionan como pensaban los científicos, y aún no lo ha sidoclaro cómo funcionan.
"Pensamos que existen principios simples según los cuales estas neuronas procesan la información visual, y esos principios están en todos los libros de texto", dijo Christof Koch, Ph.D., científico jefe y presidente del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro.una división del Instituto Allen, y coautor principal del estudio junto con R. Clay Reid, MD, Ph.D., investigador principal del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro. "Pero ahora que podemos encuestar a decenas de miles decélulas a la vez, obtenemos una imagen más sutil y mucho más complicada ".
Hace casi 60 años, dos neurocientíficos, David Hubel y Torsten Wiesel, hicieron descubrimientos revolucionarios sobre cómo los cerebros de los mamíferos perciben el mundo visual que nos rodea. Su trabajo descubrió neuronas individuales que se encienden solo en respuesta a tipos muy específicos de imágenes.
Hubel y Wiesel hicieron sus descubrimientos mostrando imágenes simples, como una barra negra o un punto sobre un fondo blanco, a gatos y monos. El principio general que descubrieron dice que, al ver el mundo que lo rodea, neuronas específicas ensu cerebro es responsable de reconocer partes exactas en una región particular de esa escena y el reconocimiento se vuelve más especializado y afinado en partes de orden superior del cerebro.
Digamos que estás en un parque: un conjunto de neuronas disparará una respuesta eléctrica rápida a la rama oscura de un árbol en un lugar preciso en tu línea de visión. Otras neuronas se activan solo cuando un pájaro vuela a través de tu campo de visión desdeDe izquierda a derecha. Su cerebro uniría información de las neuronas de la "rama del árbol" y las neuronas del "pájaro en movimiento" para obtener una imagen completa del mundo que lo rodea, o eso dice la teoría.
Los hallazgos de Hubel y Wiesel fueron reconocidos con un Premio Nobel de Fisiología o Medicina y formaron la columna vertebral de las redes neuronales que subyacen a la mayoría de las aplicaciones de visión por computadora. En la última década, con el advenimiento de nuevos métodos de neurociencia que permiten el estudio de más ymás células cerebrales a la vez, los científicos han llegado a comprender que este modelo de cómo ven nuestros cerebros probablemente no sea toda la historia: algunas neuronas claramente no siguen el modelo clásico de sintonía con características específicas.
Pero no estaba claro cuán incompleta era la historia.
variabilidad de la actividad cerebral
El nuevo estudio es el primer análisis a gran escala de los datos disponibles públicamente del Allen Brain Observatory, una encuesta amplia que captura la actividad de decenas de miles de neuronas en el sistema visual del ratón. Los investigadores analizaron la actividad de casi 60.000diferentes neuronas en las partes visuales de la corteza, la capa más externa del cerebro, ya que los animales ven diferentes imágenes simples, fotos y videoclips cortos, incluida la toma de apertura de la película clásica de Orson Welles "Touch of Evil" elegida porquetiene mucho movimiento y es un solo disparo sin cortes.
Los estudios de neurociencia de los años 50 y 60, por necesidad, eran como expediciones de pesca: los investigadores buscaban en el cerebro con un solo electrodo hasta que encontraron una neurona que respondía de manera confiable a una determinada imagen. Es similar a intentar ver una película en pantalla ancha a través de unpocos agujeros dispersos, dijo Koch, sería imposible obtener una imagen completa. El conjunto de datos del Allen Brain Observatory no captura la actividad de cada neurona en cada escenario, pero permite a los investigadores estudiar más neuronas a la vez, incluidas aquellas conrespuestas más sutiles.
El nuevo análisis de los investigadores encontró que menos del 10% de las 60,000 neuronas respondieron siguiendo el modelo de libro de texto. Del resto, alrededor de dos tercios mostraron alguna respuesta confiable, pero sus respuestas fueron más especializadas de lo que predecían los modelos clásicos.El último tercio de las neuronas mostró alguna actividad, pero no se iluminaron de manera confiable ante ninguno de los estímulos del experimento; no está claro qué están haciendo estas neuronas, dijeron los investigadores.
"No es que los estudios anteriores hayan sido todos un gran error, es solo que esas células resultan ser una fracción muy pequeña de todas las neuronas en la corteza", dijo Saskia de Vries, Ph.D., investigadora asistente enel Instituto Allen de Ciencias del Cerebro, que dirigió el estudio junto con Jérôme Lecoq, Ph.D., y Michael Buice, Ph.D. "Resulta que la corteza visual del ratón es mucho más compleja y rica de lo que pensábamos anteriormente, lo que subrayael valor de hacer este tipo de encuesta ".
El hecho de que existan estas neuronas más variables y menos específicas no es una noticia. Pero fue una sorpresa que dominen las partes visuales del cerebro del ratón, dijeron los investigadores.
Cómo calcula el cerebro
Todavía no está claro cómo estas otras neuronas contribuyen al procesamiento de la información visual. Otros grupos de investigación han visto que la locomoción puede impulsar la actividad neuronal en la parte visual del cerebro, pero si los ratones estaban corriendo o todavía solo explica una pequeña cantidad devariabilidad en las respuestas visuales, encontraron los investigadores.
Sus próximos pasos son realizar experimentos similares con películas más naturales, ofreciendo a las neuronas un conjunto más amplio de características visuales a las que responder. Buice ha hecho un carrete especializado de 10 horas de clips de prácticamente todos los documentales sobre la naturaleza que pudo conseguir.en.
Los investigadores también señalan que el modelo clásico provino de estudios en gatos y primates, animales que evolucionaron para ver sus mundos con un enfoque más nítido en el centro de su mirada que los ratones. Es posible que la visión del ratón sea completamente diferentejuego de pelota que el nuestro. Pero todavía hay principios de estos estudios que podrían aplicarse a nuestros propios cerebros, dijo Buice, investigadora asociada del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro.
"Nuestro objetivo no era estudiar la visión; nuestro objetivo era estudiar cómo se calcula la corteza cerebral. Creemos que la corteza tiene una estructura de cálculo que es universal, similar a la forma en que diferentes tipos de computadoras pueden ejecutar los mismos programas", dijo Buice.. "Al final, no importa qué tipo de programa esté ejecutando la computadora; queremos entender cómo ejecuta los programas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Allen . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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