Resumen: Un nuevo estudio muestra que la corteza cerebral actúa como una "máquina de memoria", que detecta constantemente estímulos nuevos para refinar sus predicciones del futuro. Al obtener imágenes de la corteza auditiva de ratones, los investigadores descubrieron que las neuronas rastrean las entradas sensoriales a lo largo del tiempo y forman "ecos" que ayudan a distinguir la información nueva.
Un modelo de red neuronal replicó estos hallazgos y demostró que el cableado del cerebro apoya de manera natural la detección de novedades. Esta función es crucial para la percepción, el aprendizaje y la toma de decisiones y puede explicar por qué las personas con esquizofrenia tienen dificultades para distinguir la información nueva de la antigua.
Los hallazgos destacan el papel de las redes neuronales, en lugar de las neuronas individuales, en la detección de novedades. Esta investigación permite avanzar en la comprensión tanto del funcionamiento normal del cerebro como de los trastornos en los que el procesamiento predictivo falla.
Datos clave
- Ecos neuronales: la corteza rastrea la entrada sensorial utilizando "ecos" de estímulos pasados, que ayudan a formar recuerdos a corto plazo.
- Detección automática de novedad: las redes neuronales, en lugar de las neuronas individuales, detectan naturalmente nuevos estímulos en función de su cableado.
- Información sobre esquizofrenia: Los hallazgos podrían explicar por qué las personas con esquizofrenia tienen dificultades para diferenciar la información nueva de la antigua.
Fuente: Universidad de Columbia
La corteza cerebral es la parte más grande del cerebro de un mamífero y, en algunos aspectos, la más importante. En los seres humanos, en particular, es donde suceden la mayoría de las cosas, como la percepción, el pensamiento, el almacenamiento de la memoria y la toma de decisiones.
Una hipótesis actual sugiere que la función principal de la corteza es predecir lo que sucederá en el futuro identificando y codificando nueva información que recibe del mundo exterior y comparándola con lo que se esperaba que ocurriera.
Llegaron a la conclusión de que la forma en que está conectada la corteza cerebral, con bucles de neuronas conectadas, hace que la detección de novedades sea una propiedad emergente automática de la red. Crédito: Neuroscience News
Un nuevo estudio publicado hoy en la revista Neuron supone un gran paso adelante para demostrar esa hipótesis. El autor principal del artículo es Yuriy Shymkiv, investigador postdoctoral en el laboratorio del profesor Rafael Yuste.
“Descubrimos que la corteza actúa como una máquina de memoria, codificando nuevas experiencias y prediciendo el futuro muy cercano”, dijo Shymkiv.
“Este estudio nos aporta mucha información sobre el papel de la corteza cerebral y sobre enfermedades como la esquizofrenia, en las que la corteza parece funcionar mal”, afirmó Yuste, señalando que también ayuda a aclarar procesos importantes del cerebro normal.
“La novedad es la diferencia entre lo que se predijo que sucedería y lo que realmente ocurrió. Esta investigación muestra que la corteza cerebral detecta continuamente estímulos novedosos para cambiar y mejorar sus predicciones del futuro. La detección de novedades es una función fundamental para los humanos y otros animales”.
El equipo comenzó su investigación diseñando un estudio para identificar cómo respondían los ratones a una combinación de estímulos sensoriales familiares y nuevos. Los estímulos del experimento eran sonidos reproducidos en diferentes tonos.
Después de obtener imágenes de la corteza auditiva de ratones, una parte de la corteza cerebral que procesa el sonido, descubrieron que grupos de neuronas respondían no sólo al sonido que se reproducía, sino también a lo novedoso que era.
Curiosamente, descubrieron que cada sonido dejaba un rastro de actividad neuronal, al que denominaron “eco”, que rastreaba las entradas sensoriales a lo largo del tiempo y formaba recuerdos a corto plazo de las entradas recientes.
Estos ecos de actividad no sólo garantizaron que cada estímulo entrante condujera a una respuesta única, sino que también sirvieron para seleccionar estímulos nuevos, lo que resultó en que esas respuestas se volvieran mucho más fuertes.
Para profundizar en la comprensión de estos hallazgos, el equipo construyó un modelo de red neuronal de la corteza auditiva y lo entrenó para detectar estímulos nuevos. Replicó lo que habían visto en ratones, demostrando que las redes de neuronas también utilizaban “ecos” de actividad para almacenar un modelo del entorno y lo utilizaban para detectar cambios. Llegaron a la conclusión de que la forma en que está conectada la corteza, con bucles de neuronas conectadas, hace que la detección de novedades sea una propiedad emergente automática de la red.
“Este es un gran avance en la comprensión de cómo el cerebro hace un buen trabajo al detectar novedades”, dijo Yuste, señalando que el modelo que Shymkiv creó se basa en las ideas de John Hopfield, quien ganó el Premio Nobel el año pasado por construir modelos de redes neuronales y ser pionero en inteligencia artificial.
La investigación también ofrece nuevos conocimientos sobre el papel fundamental que desempeña la corteza cerebral en la esquizofrenia. Los médicos saben desde hace muchos años que las personas con esquizofrenia no son capaces de distinguir entre información nueva y antigua.
Los científicos intentaron explicar esos hallazgos interpretando el comportamiento de neuronas individuales, pero terminaron encontrando dificultades. Una de las principales conclusiones de este artículo es el descubrimiento de que la detección de novedades no es obra de neuronas individuales, sino de redes neuronales.
“Estamos muy entusiasmados de que estos hallazgos puedan profundizar nuestra comprensión de esta parte crucial del cerebro y también potencialmente ofrecer información importante sobre los casos en que esas funciones fallan y las formas de solucionarlo”, dijo Yuste.
Acerca de esta noticia de investigación en neurociencia
Autor: Christopher Shea
Fuente: Universidad de Columbia
Contacto: Christopher Shea - Universidad de Columbia
Imagen: La imagen se atribuye a Neuroscience News
Investigación original: acceso abierto.
" La dinámica cortical lenta genera procesamiento de contexto y detección de novedades ", por Yuriy Shymkiv et al. Neuron
Abstracto
La dinámica cortical lenta genera procesamiento de contexto y detección de novedad
La corteza amplifica las respuestas a los estímulos nuevos y suprime los redundantes. La detección de novedades es necesaria para procesar eficientemente la información sensorial y construir modelos predictivos del entorno, y también se ve alterada en la esquizofrenia.
Para investigar los mecanismos de circuitos que subyacen a la detección de novedades, utilizamos un paradigma auditivo de “bichos raros” e imágenes de calcio de dos fotones para medir las respuestas a estímulos simples y complejos en la corteza auditiva de ratones. Las estadísticas de estímulos y la complejidad generaron respuestas específicas en las distintas áreas auditivas.
Los conjuntos neuronales codificaron de manera confiable las características auditivas y el contexto temporal. Curiosamente, las respuestas de la población evocadas por el estímulo fueron particularmente duraderas, reflejando el historial del estímulo y afectando las respuestas futuras.
Estas dinámicas corticales lentas codificaron el contexto temporal del estímulo y generaron respuestas más fuertes a estímulos nuevos.
Los modelos de redes neuronales recurrentes entrenados en la tarea de bolas extrañas también exhibieron una dinámica de red lenta y recapitularon los datos biológicos.
Concluimos que la dinámica lenta de las redes corticales recurrentes subyace al procesamiento y la detección de novedad.