Sus expectativas moldean y aceleran su percepción. Un nuevo modelo que explica este efecto sugiere actualizar las teorías de procesamiento de señales.
Si esperas un cierto sabor y tu lengua se siente diferente, te parecerá desagradable. Si se espera el sabor, lo sentirá más rápido.Imagina que tomaste un vaso y piensas que adentro hay jugo de manzana, y luego, después de tomar un sorbo, descubres que es ginger ale. Incluso si generalmente amas los refrescos, esta vez el sabor te parece desagradable. Esto se debe a que el contexto y los estados internos, incluida la expectativa, afectan la forma en que los animales perciben y procesan la información de los sentidos, explica
Alfredo Fontanini , neurocientífico de la Universidad Stony Brook en Nueva York. En este caso, esperar el estímulo incorrecto conduce a la sorpresa y a una reacción negativa.
Sin embargo, esta influencia no se limita a la calidad de la percepción. Entre otros efectos, ajustar los sentidos para esperar la entrada, buena o mala, puede aumentar la velocidad a la que un animal los detecta, identifica y responde a ellos.
Hace muchos años, Fontanini y el equipo descubrieron evidencia directa de este efecto de aceleración en la corteza del gusto, la parte del cerebro responsable de la percepción del gusto. Desde entonces, han estado tratando de encontrar una estructura en la corteza que haga posible este efecto. Y así tuvieron éxito. En abril de 2019,
publicaron sus descubrimientos en la revista Nature Neuroscience: un modelo de red con una arquitectura específica que no solo ofrece nuevas ideas sobre los principios del trabajo de la expectativa, sino que también entra en el territorio de preguntas más amplias sobre cómo los neurocientíficos deben relacionarse con la percepción. Además, las conclusiones coinciden en cierta medida con la teoría de la toma de decisiones, que establece que el cerebro no construye decisiones gradualmente, sino que las toma apresuradamente.
Sentimientos acelerados y estados activos
El gusto, la sensación menos explorada, fue un punto de partida ideal. Después de que el sabor aparece en la lengua, pasan varios cientos de milisegundos antes de que la actividad de la corteza del gusto comience a reflejar los datos de entrada. "En términos de función cerebral, es un tiempo muy largo", dijo
Don Katz , neurocientífico de la Universidad de Brandeis en Massachusetts (cuyo laboratorio Fontanini realizó estudios posdoctorales). "En la corteza visual, todo sucede en una pequeña fracción de este tiempo", lo que hace que sea mucho más difícil para la visión reconocer el efecto de expectativa que los científicos querían estudiar.
En 2012, Fontanini y sus colegas realizaron un experimento en el que las ratas escucharon un sonido ("pista preliminar"), y luego recibieron una pequeña dosis de comida a través de un tubo en la boca. Su sabor en sí podría ser dulce, salado, agrio o amargo, y no había información en la información sobre su personaje.
Sin embargo, se descubrió que, en general, la expectativa del gusto hacía que las neuronas de la corteza del gusto reconocieran el estímulo casi el doble de rápido que cuando las ratas recibieron comida sin escuchar el sonido preliminar. El retraso se redujo de aproximadamente 200 ms a 120 ms.
Fontanini quería saber qué red neuronal permitiría teóricamente la aceleración de la codificación. Atrajo a un especialista que no había trabajado previamente en el campo del gusto: un colega de Stony Brook, un neurocientífico,
Giancarlo la Camera , que había trabajado previamente en el modelado de la actividad cerebral espontánea que ocurre incluso en ausencia de estímulos.
Alfredo Fontanini y Giancarlo la CameraEn las últimas décadas, ha habido una creciente creencia de que la mayor parte de la actividad de las redes de sensores se genera internamente y no es causada por estímulos externos. Si comparamos la actividad de la corteza visual de un animal en completa oscuridad con su actividad, cuando se examina al animal, será difícil encontrar diferencias en ellos. Incluso en ausencia de luz, los conjuntos de neuronas en la corteza visual comienzan a activarse juntas, simultáneamente o con una frecuencia predecible. Esta respuesta interconectada se encuentra en la llamada estado metaestable de unos pocos cientos de milisegundos a varios segundos, y luego la configuración de la actividad cambia a otra. La metaestabilidad, o la tendencia a saltar de un estado fugaz a otro, continúa después de la aparición del estímulo, sin embargo, algunos estados a menudo aparecen con mayor frecuencia en relación con un estímulo particular y, por lo tanto, se consideran "estados de codificación".
La Camera y otros (incluido Katz) ya han modelado la metaestabilidad, creando lo que se llama una red en clúster. En su interior, grupos de neuronas excitantes están estrechamente relacionados entre sí, y las neuronas inhibidoras están conectadas aleatoriamente con otras excitantes, lo que tiene un amplio efecto amortiguador en todo el sistema. "Una arquitectura en clúster es fundamentalmente importante para crear metaestabilidad", dijo Fontanini.
Fontanini, La Camera y su colega, un postdoctorado, Luca Mazzukato (ahora trabajando en la Universidad de Oregón) descubrieron que también se necesitaba la misma estructura de red para recrear el efecto de espera. En un modelo metaestable de arquitectura agrupada, los investigadores simularon una pista de advertencia, seguida de un estímulo gustativo específico. Como resultado, reprodujeron con éxito el esquema de codificación acelerada que Fontanini observó en ratas en 2012: las transiciones de un estado metaestable a otro se aceleraron, lo que permitió al sistema cambiar rápidamente a estados de codificación. Los resultados del trabajo muestran que simplemente creando una red para demostrar patrones de actividad metaestables, "puede capturar muchas respuestas neurológicas mientras estimula el sabor", dijo Fontanini.
Cuando los investigadores intentaron simular avisos y estímulos de advertencia en una red que no tenía neuronas agrupadas, no pudieron repetir los resultados de 2012. Por lo tanto, "este efecto es posible solo en redes de cierto tipo", dijo Katz.
Caminata menos estresante
El descubrimiento pareció notable, en primer lugar, porque daba una idea de qué tipo de arquitectura buscar en la corteza del gusto real, y posiblemente en otras partes de la corteza responsables de los órganos sensoriales. Hasta ahora, los neurocientíficos discuten sobre cómo se procesa el sabor: algunos dicen que ciertas neuronas pueden codificar "dulce" y otras "saladas", creando respuestas neurológicas características para ciertos gustos. Otros lo asocian con patrones de actividad más amplios; la mayoría de las neuronas responden a la mayoría de los gustos, y el esquema neurológico resultante corresponde aproximadamente a uno u otro gusto. El trabajo de Fontanini y sus colegas respalda la última teoría, prediciendo exactamente cómo debería verse esta estructura. Ya solo los grupos "delinean las muchas propiedades de la corteza del sabor", dijo Fontanini, "actividad espontánea, una secuencia de retroalimentación sobre el sabor, el efecto de la expectativa". Espera continuar descubriendo la historia de la formación de estos grupos y qué otros tipos de actividad nerviosa afectan.
También describe la base neuronal de las expectativas en el cerebro. El consejo de advertencia no solo excita ciertas neuronas o causa un cierto conjunto de condiciones, que luego codifica el estímulo. En cambio, esperar cambia la dinámica, específicamente, la velocidad de conmutación, de todo el sistema.
Fontanini y la Camara comparan esta dinámica con una pelota que se mueve a través de un paisaje lleno de trincheras. Estos huecos indican estados de reacción, y la expectativa inclina el terreno para que la pelota caiga más rápido en la primera trinchera. También alisa el terreno montañoso a lo largo del cual la pelota necesita ir de un estado a otro, facilitando esta transición y atascándose.
Es decir, esperar hace que la red sea menos pegajosa. Le permite caminar más fácilmente hacia estados que realmente codifican el sabor, pero no le da tanta estabilidad que el sistema esté atascado en un estado. Este problema a menudo afecta a esas redes agrupadas: debido a esta agrupación, algunas "trincheras" resultan ser demasiado profundas y el sistema amplifica la información incorrecta. Pero estos descubrimientos dicen que para resolver este problema "no se necesita un sistema complejo", dijo Georg Keller, un neurocientífico que estudia el trabajo de la visión en el Instituto de Investigación Biomédica. Friedrich Miescher en Suiza.
Fontanini y la Camera esperan que un mecanismo similar pueda explicar el trabajo de otros procesos que llevan el contexto más allá de las expectativas, como la atención y el aprendizaje. Pero, quizás, "la consecuencia más importante de nuestro trabajo será un cambio de atención de la reacción estática de las neuronas que codifican ciertas reacciones a su comportamiento dinámico", dijo la Camera.
Aunque el enfoque para el estudio de la neurobiología a través de sistemas dinámicos no puede llamarse nuevo, fue difícil de probar y modelar. Los expertos generalmente tienden a una estructura jerárquica de la representación de la percepción sensorial: la corteza se acumula e integra características para la formación de percepciones, enviando señales a otras capas de la red que integran aún más información hasta que el cerebro toma una decisión o elige un comportamiento.
Pero este no es el caso en este documento. Los resultados del equipo hablan a favor de otra idea de procesamiento de señales en la que "todo sucede al mismo tiempo, antes de que llegue la señal de estímulo", dijo Leslie Kay, neurocientífica de la Universidad de Chicago que trabaja en el olfato. "La información aprendida se encuentra en la corteza, forma un sistema de grupos interconectados de neuronas que denotan esta información, y luego la influencia con la ayuda de las expectativas, lo que resulta en la manifestación de lo que este sistema sabe".
Prisa repentina
Del modelo se deduce que el proceso de toma de decisiones no es una construcción suave basada en la información recibida, sino más bien algo así como una secuencia de ideas, un salto de fluctuaciones neuronales. Katz usó el mismo modelo que Fontanini con la Camera para respaldar la idea de que la toma de decisiones "ocurre en una carrera repentina".
La conexión entre estos "ángulos completamente diferentes del gusto", el trabajo de Fontanini sobre el procesamiento de las sensaciones de los sentidos y su estudio de su procesamiento posterior, deja a Katz en un estado de "anticipación gozosa".
También enfatiza la necesidad de alejarse de la concentración en neuronas individuales que responden a ciertas indicaciones y avanzar hacia estados internos y dinámicas para comprender mejor el funcionamiento de las redes de sensores, incluso en el caso de los estímulos sensoriales más básicos. "Es mucho más fácil decir que una neurona aumenta el número de activaciones", dijo Anan Moran, neurocientífico de la Universidad de Tel Aviv en Israel. Pero para entender cómo funcionan los organismos, "no se puede tener en cuenta solo el estímulo, hay que tener en cuenta el estado interno", agregó. "Y esto significa que nuestra idea previa del mecanismo utilizado por el cerebro para implementar sensaciones, acciones, etc., debe revisarse".
"La mayor parte de lo que sucede en la corteza del gusto antes de que el estímulo lo alcance, está asociado con su procesamiento a la llegada", dijo Katz. En este caso, un estudio de cómo cambian estos estados internos bajo la influencia de la experiencia o las pistas ha revelado nueva información sobre la conectividad de la red.
Ahora, dijo Moran, tal dependencia contextual debería someterse a otros estudios de percepción y pensamiento. “La última frontera es el sistema visual. Tal trabajo puede decirnos algo interesante sobre el procesamiento de la información visual ".
"Todavía no tenemos un buen modelo unificado que combine toda esta actividad", agregó. Pero este es un "buen punto de partida".