Una red neuronal que suprime la información que distrae de los sentidos posee las claves para desentrañar el trabajo de atención y otros procesos cognitivos.
Prestamos atención solo a una pequeña fracción de la información de los órganos sensoriales que nos llegan. Los nuevos resultados de la investigación ayudan a comprender cómo el cerebro en cada momento filtra las sensaciones menos interesantes.Podemos escuchar la conversación en una habitación ruidosa, entre otras voces cada vez más silenciosas o ruidosas, o en medio del zumbido del aire acondicionado. Podemos ver un montón de llaves en un mar de basura, o un mapache, corriendo por el automóvil. A veces, incluso con una gran cantidad de información que llena nuestros sentidos, podemos concentrarnos en lo que es importante para nosotros y actuar en consecuencia.
Los procesos de cambio de atención ayudan al cerebro a encender el "foco" asociado con el estímulo deseado y filtrar todo lo demás. Los neurocientíficos quieren identificar las redes neuronales que guían y alimentan este foco de atención. Durante décadas, su investigación se ha asociado con la corteza, una estructura ondulada en la superficie del cerebro, generalmente asociada con la inteligencia y el trabajo de la mente. Quedó claro que la actividad de la corteza mejora el procesamiento de la señal para concentrarse en las cosas que nos interesan.
Sin embargo, hoy algunos investigadores están tratando de usar un enfoque diferente, estudiando cómo el cerebro suprime la información y no cómo la complementa. Más importante aún,
descubrieron que el proceso involucraba partes más antiguas y profundas del cerebro, áreas que rara vez se consideran relacionadas con la atención.
Debido a esto, sin saberlo, los científicos comenzaron a avanzar gradualmente hacia una mejor comprensión de cuán profunda e inextricablemente entrelazados cuerpo y mente, a través de la percepción automática de sensaciones, movimientos físicos y conciencia de nivel superior.
Cazando redes neuronales
La atención parecía estar tan fuertemente conectada con la conciencia y otras funciones complejas del cerebro que durante bastante tiempo los científicos lo consideraron principalmente una manifestación del trabajo de la corteza cerebral. Por primera vez, esta idea fue abandonada seriamente en 1984 cuando Francis Crick, conocido por su trabajo en estructuras de ADN, sugirió que el "foco" está controlado por una región profunda del cerebro llamada
tálamo , parte de la cual recibe datos de los órganos sensoriales y los transfiere a la corteza . Desarrolló la teoría de que el tálamo sensorial funciona no solo como un transmisor, sino también como un vigilante, no solo un puente, sino también un tamiz, que restringe parte del flujo de datos para establecer un cierto nivel de concentración.
Sin embargo, han pasado décadas y los intentos de determinar el mecanismo responsable de esto han fallado, en particular porque es extremadamente difícil estudiar la atención de los animales en el laboratorio.
Michael Halassa, neurocientífico en el MITEsto no detuvo a
Michael Halassa , neurocientífico del Brain Research Institute. McGovern en el MIT. Quería determinar exactamente cómo se filtran los datos sensoriales antes de que esta información llegue a la corteza cerebral, para encontrar una red neuronal específica, que, según Crick, está involucrada en esto.
Fue atraído por una delgada capa de neuronas inhibidoras, el "núcleo reticular del tálamo" (SNF), que sirve como la membrana del tálamo. Para el momento en que Halassa se convirtió en un muelle, ya había encontrado un mecanismo de detección aproximado: a SNF le faltaban datos sensoriales cuando el animal estaba despierto, y prestó atención a algún aspecto del medio ambiente, pero los bloqueó cuando dormía.
En 2015, Halassa y sus colegas
encontraron una tasa de abandono aún más fina, lo que nos permitió asignar de manera más confiable SNF a la red neuronal que tanto tiempo deseaban, y esta vez se relacionaba con cómo los animales eligen en qué enfocarse cuando su atención se divide entre varios órganos. sentimientos El estudio utilizó ratones entrenados para seguir las instrucciones de la luz y el sonido parpadeantes. Luego, los científicos activaron simultáneamente a los animales varios comandos contradictorios de la luz y el sonido, mientras les insinuaban qué señal debería ignorarse. La respuesta de los ratones mostró cuán efectivamente pudieron concentrarse. En el experimento, los científicos utilizaron técnicas bien establecidas para desactivar la actividad en diferentes partes del cerebro para ver en qué casos esto evitaría que los animales actúen de manera efectiva.
Como se esperaba, el papel de la corteza prefrontal, emitiendo comandos de alto nivel a otras partes del cerebro, fue crítico. Sin embargo, el equipo también descubrió que si en el experimento los ratones debían prestar atención a la visión, desconectar las neuronas en el SNF visual les impedía actuar. Además, cuando estas neuronas se desactivaron, los ratones tuvieron dificultades para concentrarse en el sonido. De hecho, la red neuronal giró los botones de sintonía de los procesos inhibitorios en lugar de excitantes, y el SNF inhibió la información que la corteza prefrontal consideraba una distracción. Si el ratón tenía que dar prioridad a la información auditiva, la corteza prefrontal dio una señal al SNF visual para aumentar la actividad para suprimir el tálamo visual, lo que apagó el flujo de datos visuales innecesarios.
Resultó que la metáfora con atención como reflector funciona al revés: el cerebro no mejora la "iluminación" del estímulo que le interesa, sino que "atenúa la iluminación" de todo lo demás.
A pesar del éxito del estudio, los científicos enfrentaron un problema. Confirmaron la sospecha de Crick: la corteza prefrontal controla el filtro del tálamo para la información sensorial entrante. Sin embargo, la corteza prefrontal no está directamente relacionada con las partes sensoriales del SNF. Faltaban partes de la red neuronal.
Hasta hace poco Y luego, finalmente, Halassa y sus colegas pusieron en su lugar las últimas piezas del rompecabezas, y los resultados revelaron mucho sobre cómo estudiar la atención.
Bloqueamos, sombreamos, parpadeamos
Utilizando experimentos similares a los que realizaron en 2015, los miembros del equipo investigaron la interacción funcional de varias partes del cerebro, así como las conexiones neuronales entre ellos. Descubrieron que una red neuronal completa se extiende desde la corteza prefrontal hasta las estructuras más profundas, los
núcleos basales (a menudo asociados con la motilidad y muchas otras funciones), luego va al SNF y al tálamo, y luego regresa a las regiones más altas de la corteza. Entonces, por ejemplo, la información visual que viene de los ojos al tálamo visual puede ser interceptada casi instantáneamente si no está relacionada con la tarea que se está realizando. Los núcleos basales pueden intervenir y activar SNF para filtrar estímulos externos, de acuerdo con las instrucciones de la corteza prefrontal.
"Esta es una ruta de retroalimentación interesante que, en mi opinión, nadie ha descrito antes", dijo
Richard Krautslis , neurocientífico del Instituto Nacional del Ojo de los Institutos Nacionales de Salud de Maryland, que no participó en el estudio.
Además, los investigadores descubrieron que el mecanismo no solo filtra un sentimiento para aumentar la atención a otro: también filtra la información dentro de ese sentimiento. Cuando se insinuó a los ratones que debían prestar atención a ciertos sonidos, SNF ayudó a suprimir el ruido de fondo en la señal de sonido. El resultado del procesamiento de los datos de entrada de los órganos sensoriales "puede ser mucho más preciso que simplemente suprimir toda la región del tálamo para una modalidad sensorial, que es una forma de supresión bastante cruda", dijo
Duje Tadin , neurocientífico de la Universidad de Rochester.
"A menudo no prestamos atención a cómo nos deshacemos de las cosas menos importantes", agregó. "Y creo que hay una manera más eficiente de manejar la información". Si está en una habitación ruidosa, puede intentar alzar la voz para que pueda ser escuchado, o tratar de eliminar la fuente de ruido. Tadin estudia la supresión de los efectos de fondo en otros procesos que ocurren automáticamente y también más rápido que la atención selectiva.
Los descubrimientos de Halassa sugieren que el cerebro cierra la información externa antes de lo que se pensaba. "Lo que es interesante", dijo
Jan Fiebelkorn , neurocientífico cognitivo de la Universidad de Princeton, "el filtrado comienza en este primer paso, antes de que la información llegue a la corteza visual".
Existe un punto débil obvio en la estrategia de eyección del cerebro para la información sensorial, a saber, el peligro de que los datos desechados puedan resultar inesperadamente importantes. El trabajo de Fiebelkorn sugiere que el cerebro tiene una forma de asegurarse contra tales riesgos.
Fiebelkorn dice que la gente imagina el foco como un rayo de luz constante que resalta los lugares donde el animal debe dirigir sus recursos cognitivos. "Pero mi investigación muestra que esto no es así", dijo. "Aparentemente, este foco está parpadeando".
Según sus descubrimientos, el foco de atención se vuelve más débil que cuatro veces por segundo, probablemente para que el animal no se concentre demasiado en un lugar o un estímulo. Esta breve supresión de información importante estimula los estímulos periféricos y crea la capacidad para que el cerebro cambie su atención a otra cosa si es necesario. "El cerebro aparentemente está diseñado para distraerse periódicamente", dijo.
Fibelcorn y sus colegas estudian las regiones subcorticales con el objetivo de revelar la estructura de las redes neuronales. Hasta ahora, están estudiando el papel de otra sección del tálamo, pero planean en el futuro, como el equipo de Halassa, lidiar con los ganglios basales.
Pensando en acción
Estos trabajos marcan un cambio significativo en la neurobiología: una vez que los procesos de atención fueron considerados el dominio exclusivo de la corteza. Sin embargo, según Krautslis, en los últimos cinco años "se ha vuelto un poco más obvio que todo esto está sucediendo bajo la corteza".
"La mayoría de la gente quiere que la corteza cerebral haga todo el trabajo duro, pero no creo que sea realista", dijo
John Maunsel , neurocientífico de la Universidad de Chicago.
Halassa con una matriz de electrodos múltiples, con la cual él y sus colegas controlaron la actividad cerebralEl descubrimiento por parte de Halassa del papel de los ganglios basales en el trabajo de atención es particularmente interesante. En particular, porque es una parte tan antigua del cerebro que no se consideraba parte de la red responsable de la atención selectiva. "Los peces también lo tienen", dijo Krautslis. "Hasta los primeros vertebrados, incluidas las lampreas que ni siquiera tienen una mandíbula", o una neocorteza, "esencialmente tienen una versión simple de los ganglios basales y algunas de estas mismas redes neuronales". Las redes neuronales de los peces pueden decirnos cómo evolucionó la atención.
Halassa está particularmente interesado en el hecho de que la conexión entre la atención y los ganglios basales puede abrirse en el campo de enfermedades como el trastorno por déficit de atención y el autismo, que a menudo se manifiestan como hipersensibilidad a ciertos datos sensoriales entrantes.
Pero quizás lo más interesante de todo, con respecto a la participación de los ganglios basales en estos procesos, es que esta estructura generalmente está asociada con el control motor, y algunos de los estudios más nuevos la asocian cada vez más con el aprendizaje con recompensas, la toma de decisiones y otros tipos de motivación. comportamiento
Después del trabajo realizado en el laboratorio de Halassa, se amplió el papel de los ganglios basales para incluir el manejo de los datos sensoriales. Esto subraya el hecho de que "la atención realmente consiste en cambiar de uno a otro en el orden correcto, durante el cual no te distraes con algo que no debería distraerte", dijo Maunsel. "La idea de incluir estructuras de movilidad en este proceso tiene sentido: deberían estar en el centro mismo del proceso de toma de decisiones sobre lo que harás en el próximo momento y sobre qué debes concentrar los recursos sensoriales".
Esto coincide con la creciente popularidad de la atención a la atención, y al pensamiento en general, como procesos basados en los llamados "Hallazgos activos". El cerebro no solo toma muestras pasivas de información del entorno, respondiendo a los estímulos externos recibidos. También tiene lugar el proceso inverso: movimientos físicos tan pequeños como el parpadeo también controlan la percepción. Los sistemas sensoriales y motores "no funcionan por separado, evolucionaron juntos", dijo Fiebelkorn. Por lo tanto, las regiones responsables de la motilidad no solo ayudan a dar forma a los parámetros de salida (comportamiento animal); También ayudan a dar forma y entrada. Los descubrimientos de Halassa proporcionan más evidencia de un papel tan proactivo.
"La percepción es buena para la acción, porque necesitamos imaginar de alguna manera el mundo para actuar en él", dijo
Helin Slagter , un
científico cognitivo de la Universidad de Amsterdam. "Y en su mayor parte, aprendemos a percibir el mundo que nos rodea a través de la acción". Una gran cantidad de conexiones internas con la corteza cerebral sugiere que, además de controlar la atención, "estas estructuras subcorticales juegan un papel mucho más importante en las funciones cognitivas superiores de lo que a menudo se considera".
Y esto, a su vez, puede darnos ideas sobre la conciencia, el tema más difícil de investigar en neurobiología. Como se desprende de un estudio de Halassa y otros, "cuando estudiamos la correlación de las conexiones neuronales y la atención, de hecho, estudiamos en cierta medida la correlación de las conexiones neuronales y la percepción", dijo Maunsel. "Esto es parte de una historia más amplia, intenta comprender cómo funciona el cerebro".
Slagter ahora está estudiando el papel de los ganglios basales en el trabajo de la conciencia. “Al percibir el mundo, no solo usamos nuestros cuerpos, lo sentimos a través de los cuerpos. Y el cerebro construye una representación del mundo para actuar de manera significativa en él ”, dijo. "En consecuencia, la percepción consciente debe estar estrechamente relacionada con las acciones", como la atención. "La conciencia debe estar orientada a la acción".