Resumen:
Cuando los humanos ven el mundo, no se limitan a presentar directamente las señales recibidas por sus ojos. La información visual es procesada por múltiples áreas del cerebro con diferentes funciones, y estas áreas deben intercambiar información continuamente para, en última instancia, formar un resultado de percepción relativamente unificado. Un nuevo estudio realizado por investigadores del Laboratorio Cold Spring Harbor, la Universidad de Cambridge y el University College de Londres encontró que el cerebro puede formar gradualmente una interpretación consistente de la misma información en diferentes áreas visuales a través de un mecanismo neuronal similar a "alcanzar un consenso".
Este estudio publicado en "Nature Neuroscience" utilizó ratones como sujetos experimentales, centrándose en la corteza visual primaria V1 y el área visual medial lateral LM. Ambas áreas pertenecen a la corteza visual del cerebro, pero la información que se encargan de procesar es diferente, y existen conexiones neuronales bidireccionales entre ambas, por lo que no se trata simplemente de una transmisión unidireccional de información de un área a la otra.
Los investigadores descubrieron que cuando los patrones de actividad neuronal en las dos áreas, V1 y LM, eran consistentes entre sí, la actividad duraba más; mientras que cuando las dos áreas produjeron patrones de actividad conflictivos, las diferencias rápidamente desaparecieron en menos de un segundo. Esto significa que diferentes áreas del cerebro pueden no procesar información de forma independiente, sino que pueden interactuar entre sí para debilitar gradualmente la información inconsistente mientras conservan patrones de actividad neuronal mutuamente reconocidos.
El equipo de investigación llama a este mecanismo "creación de consenso". Este mecanismo puede ayudar al cerebro a integrar datos de diferentes áreas neuronales y diferentes canales de información para formar una percepción general coherente.
Los investigadores utilizan las ilusiones ópticas como ejemplo para explicar este problema. Cuando una persona ve un objeto borroso en un ambiente oscuro, puede reconocerlo instantáneamente como una cara; Una naranja puede verse brevemente como una manzana bajo ciertas luces y ángulos. El sistema visual no se enfrenta a un conjunto de información siempre clara y completamente coherente, sino que requiere una coordinación constante entre las diferentes interpretaciones. Para estudiar este proceso de coordinación, los investigadores entrenaron ratones para que discriminaran entre dos patrones visuales inclinados en ángulos opuestos y luego los recompensaron por solo uno de los patrones. Durante el experimento, los investigadores desactivaron brevemente la actividad neuronal en V1 o LM mientras registraban cambios en la otra área visual después de perder la información del área asociada.
Con estos datos experimentales, los investigadores establecieron además un modelo de red neuronal artificial que representa el circuito neuronal entre V1 y LM. El modelo es capaz de simular la actividad en dos regiones del cerebro bajo diferentes estímulos visuales y probar cómo la conexión entre las dos regiones afecta la duración de la actividad neuronal cuando se interfiere con neuronas específicas.
Los investigadores finalmente descubrieron que la conexión bidireccional entre V1 y LM puede cambiar dinámicamente el estado de actividad neuronal de las dos regiones. Cuando las dos partes tengan patrones de actividad similares, las señales relevantes se mantendrán; cuando los patrones de actividad de las dos partes son inconsistentes, las señales de conflicto se debilitarán rápidamente.
Para construir un modelo más preciso, los investigadores analizaron datos de actividad neuronal de 7 ratones, incluidas 194 neuronas V1 y 228 neuronas LM. El equipo de investigación utilizó estos datos para construir modelos de circuitos de regiones cerebrales y predecir cambios de actividad bajo diferentes condiciones de estimulación e intervención neuronal.
Los investigadores creen que este mecanismo puede explicar un problema de larga data de la neurociencia: diferentes áreas del cerebro están altamente especializadas y cada una recibe y procesa diferentes tipos de información, pero lo que las personas finalmente obtienen es una visión del mundo unificada y coherente.
En otras palabras, el cerebro no simplemente une los resultados de múltiples regiones del cerebro, sino que puede permitir que diferentes regiones "negocien" gradualmente una explicación común a través de una retroalimentación bidireccional continua entre las regiones del cerebro. En lugar de decir que una región del cerebro tiene en última instancia el poder absoluto de toma de decisiones, es mejor decir que múltiples regiones del cerebro continúan influyéndose entre sí y eventualmente forman un estado común relativamente estable.
Sin embargo, hasta ahora este estudio solo ha observado dos áreas visuales del cerebro, y los sujetos experimentales eran ratones. Por lo tanto, los investigadores no pueden probar directamente que el cerebro humano utilice el mismo mecanismo. El experimento también puso a prueba la discriminación de los ratones entre diferentes patrones visuales oblicuos, en lugar de las complejas ilusiones visuales de la vida diaria de los humanos.
El equipo de investigación espera determinar a continuación si existe "construcción de consenso" en una gama más amplia de áreas de la corteza cerebral. Si este mecanismo no sólo se aplica a V1 y LM, sino que también funciona en general entre otras áreas del cerebro, entonces puede convertirse en un marco teórico importante para explicar cómo el cerebro integra información compleja.
Los investigadores están particularmente preocupados por los conflictos de información entre diferentes sentidos. Por ejemplo, cuando una persona ve un objeto moviéndose en una dirección que es inconsistente con la información proporcionada por un sonido que escucha, ¿cómo decide el cerebro qué información creer en última instancia? Queda por estudiar más a fondo si los sistemas visual, auditivo y otros sistemas sensoriales también están coordinados a través de mecanismos neuronales similares.
Si este mecanismo de creación de consenso resulta estar muy extendido en la corteza cerebral, también puede ayudar a los científicos a comprender algunas situaciones en las que los sistemas neuronales no logran formar una explicación unificada. Cuando diferentes regiones del cerebro no logran coordinar la información de manera efectiva, pueden producirse anomalías en la percepción y la cognición.
Esta investigación también puede proporcionar nuevas ideas para la inteligencia artificial. Los sistemas de IA modernos a menudo constan de múltiples módulos especializados que trabajan juntos, y diferentes modelos o módulos a veces producen resultados diferentes o incluso contradictorios para la misma entrada. Los investigadores creen que el mecanismo del cerebro para retener información mutuamente consistente y debilitar rápidamente la información conflictiva puede inspirar a los sistemas de inteligencia artificial a diseñar métodos de coordinación de información más efectivos en el futuro.
El hallazgo principal de este estudio no es que el cerebro tenga un área única responsable del "juicio", sino que diferentes áreas del cerebro continúan interactuando entre sí a través de conexiones bidireccionales, reduciendo gradualmente las diferencias en la dimensión temporal y fortaleciendo patrones de actividad comunes, permitiendo que el sistema nervioso altamente especializado forme eventualmente un resultado de percepción relativamente unificado.
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