El funcionamiento de las neuronas requiere matemáticas para ser explicado

Un estudio liderado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha descrito, por primera vez, cómo las neuronas individuales de la corteza táctil utilizan sofisticadas operaciones de estadística para ajustar la sensibilidad del tacto al entorno, informa el CSIC en un comunicado.

Esta capacidad de cálculo de las células del cerebro se añade a otras ya constatadas, como su habilidad para sumar o multiplicar. El trabajo, que publica PloS Biology, contribuye, según sus autores, a un mejor conocimiento del cerebro y de su forma de percibir el mundo. Al frente de esta investigación se encuentra el físico español Miguel Maravall Rodríguez, en la actualidad Investigador del Programa Ramón y Cajal del Instituto de Neurociencias (CSIC), con sede en Alicante.

En la siguiente entrevista exclusiva, Miguel Maravall señala que el funcionamiento de las neuronas requiere herramientas matemáticas para ser explicado, que las neuronas representan los cambios en frecuencia y velocidad a lo largo del movimiento y, sobre la base de esta representación, permiten la discriminación de diferentes estímulos (texturas, etc.). Destaca que la novedad de su trabajo es el que se haya hecho por un lado en el sistema táctil y, por otro lado, el que mida con tanta precisión los cambios compensatorios de sensibilidad en la corteza cerebral.

El estudio señala que se ha podido demostrar que las células del cerebro tienen la capacidad de realizar sofisticadas operaciones estadísticas para ajustar la sensibilidad del tacto al entorno. ¿Cómo se ha conseguido esta demostración?

Se ha conseguido generando y aplicando estímulos muy controlados a los “bigotes” o vibrisas de la rata. Los estímulos consistían en movimientos precisos de las vibrisas. En cada momento sabíamos en dónde estaban las vibrisas: su posición y también su velocidad. Midiendo la respuesta de una neurona (su actividad eléctrica) con un electrodo insertado en la corteza cerebral, podíamos deducir qué relación había entre el movimiento de vibrisas existente en cada momento y la respuesta neuronal a ese movimiento. Por lo tanto, podíamos medir cómo era de sensible cada neurona a los movimientos. Variando el “contexto” en el que presentábamos cada movimiento o vibración individual, podíamos entonces medir cómo se alteraba la sensibilidad de las neuronas a los movimientos en función del entorno.

¿Podría explicar cómo perciben las neuronas táctiles y en que radica su capacidad de adaptación al entorno que perciben?

Las neuronas táctiles de la corteza de la rata tienen una faceta importante en común con las nuestras, y es que representan la frecuencia y velocidad con que se mueven o vibran los “sensores” táctiles. Los sensores principales para la rata son sus “bigotes” o vibrisas, mientras que para nosotros naturalmente son nuestros dedos. Moviendo los bigotes, la rata construye una percepción de su entorno que depende tanto del movimiento de los bigotes como de los obstáculos que los bigotes encuentran en su camino y que de alguna manera modifican o perturban su movimiento libre. Las neuronas representan los cambios en frecuencia y velocidad a lo largo del movimiento y, sobre la base de esta representación, permiten la discriminación de diferentes estímulos (texturas, etc.).

¿Qué tipo de relación se establece entre la sensibilidad táctil y el contexto percibido? ¿En qué consiste el fenómeno de la compensación neuronal en el proceso de la percepción?

Las neuronas ajustan su sensibilidad al contexto porque reducen su sensibilidad bajo contextos más intensos y la aumentan bajo contextos cuyas vibraciones son más débiles. Es parecido a cuando entramos en una habitación a oscuras viniendo de un día soleado. Tenemos que ajustar nuestra sensibilidad, aumentándola para detectar objetos en el cuarto a oscuras. Cuando luego volvemos a salir, pasamos unos momentos deslumbrados hasta que reducimos nuestra sensibilidad y recuperamos la capacidad de distinguir objetos al sol. Es decir, con mucha luz reducimos nuestra sensibilidad para no saturarnos, pero con poca luz tenemos que aumentarla. Esta capacidad depende de nuestras neuronas: son ellas las que están cambiando. En el sistema táctil la situación es parecida. Las neuronas táctiles actúan también modificando su sensibilidad para compensar los cambios en el entorno y poder mantener siempre la misma cantidad de información en sus respuestas.

¿Qué precedentes científicos les han llevado a estudiar el funcionamiento de alguna forma “inteligente” de las neuronas?

Precisamente en el sistema visual, y muy especialmente en la retina del ojo, es en donde se han hecho más trabajos parecidos. La novedad de nuestro trabajo es el que se haya hecho por un lado en el sistema táctil y, por otro lado, el que mida con tanta precisión los cambios compensatorios de sensibilidad en la corteza cerebral. Fijándonos en la zona táctil de la corteza, hemos estado concentrándonos en neuronas que de alguna manera subyacen a la capacidad del animal de distinguir entre texturas, es decir que sus respuestas y su sensibilidad afectan de forma directa a la percepción. Pero, como digo, ya existían precedentes parecidos en otros sistemas y muy especialmente en el visual (se ha hecho algo de trabajo comparable también en el auditivo).

¿Qué consecuencias tiene este hallazgo para la comprensión de la percepción y del funcionamiento del cerebro?

Entendemos ahora mejor cómo representan las neuronas el medio. Nuestros resultados nos dicen que la “adaptación” de la respuesta neuronal, que como fenómeno aparece a menudo en todas las neuronas, supone un ajuste de la respuesta al contexto del entorno para las neuronas que hemos observado. Parece que éste es un mecanismo muy común (porque como decía también se ha visto en el sistema visual) que usan las neuronas para poder representar óptimamente el mundo que nos rodea.

¿Puede decirse por tanto que las neuronas individuales tienen cierta capacidad para realizar operaciones matemáticas?

Sí, sin duda. Una neurona está siempre sumando sus entradas, también (bajo ciertas circunstancias) responde a la multiplicación de sus entradas, y por último, en condiciones como ésta, guarda una memoria del contexto y es capaz de “dividir” o normalizar cada movimiento individual por la magnitud del contexto: eso es lo que significa la compensación desde el punto de vista matemático.

¿Cree usted que, además de ser capaces individualmente de realizar operaciones de estadística, las conductas asociativas de las neuronas individuales, que posibilitan nuestra percepción, siguen alguna ley matemática, como propuso en 1982 el matemático Teuvo Kohonen? Esta propuesta ha sido recientemente verificada por neurólogos norteamericanos, como ya publicamos en tendencias21.

Sin duda la función de las redes neuronales puede representarse con leyes matemáticas. Tanto los modelos de Teuvo Kohonen como otros similares (anteriores, de la misma época y posteriores) describen el funcionamiento de redes de neuronas que almacenan y asocian estímulos. El funcionamiento de estos modelos se puede describir mediante ecuaciones matemáticas. El funcionamiento de las redes neuronales reales del cerebro probablemente no siga exactamente las mismas ecuaciones, pero como ustedes sugieren, sin duda dichos modelos nos han ayudado a fijar ideas sobre los mecanismos de red neuronal que subyacen a la percepción, y sí que creo que aplicar ideas matemáticas y estadísticas similares a las que impulsaron dichos modelos nos ayudará a entender la percepción y el funcionamiento de la memoria.

¿Hasta qué punto cree usted que podría explicarse el funcionamiento de nuestras neuronas con herramientas matemáticas?

El funcionamiento de las neuronas requiere herramientas matemáticas para ser explicado. El mejor ejemplo es el siguiente. Las neuronas se activan (producen respuestas eléctricas) gracias a la presencia de “canales iónicos”, proteínas de la membrana celular que se abren y cierran para dejar pasar iones entre el citoplasma y el medio extracelular. El funcionamiento de dichos canales se formuló por primera vez en términos matemáticos antes siquiera de que dichos canales se pudieran observar directamente o se conociera su estructura. Muchas de las propiedades de los canales que luego pudieron verificarse directamente se predijeron por primera vez con dichas ecuaciones, que no eran sino ecuaciones diferenciales. Por este trabajo de importancia absolutamente fundamental para nuestro conocimiento de la biología y la medicina, los fisiólogos ingleses Hodgkin y Huxley recibieron el premio Nobel de medicina o fisiología de 1963. Otras muchas contribuciones posteriores han descrito el funcionamiento de las neuronas en términos matemáticos, bien a través de un análisis cuantitativo de datos experimentales o bien formulando y desarrollando hipótesis a través de un modelo computacional. Finalmente, los neurocientíficos usamos a menudo las matemáticas para poner a punto nuestros equipos y experimentos, lo que a veces es una tarea complicada.

Una vez demostrado el funcionamiento de las neuronas táctiles, ¿piensa seguir algún tipo de investigación en esta mima línea?

Sí, por supuesto. De hecho no hemos concluido nuestro análisis de las neuronas táctiles, ya que hay muchas etapas en el sistema táctil y queremos saber si las neuronas de la corteza son las únicas que se comportan así o si el fenómeno aparece más “temprano”, es decir, en zonas del sistema en donde la información aparece menos elaborada. Por ejemplo, en el sistema visual hay adaptación y dependencia del contexto ya en la retina del ojo, no hace falta llegar a la corteza. Nosotros queremos saber no sólo en dónde aparece este comportamiento sino también qué mecanismos celulares lo generan. Igualmente estamos trabajando en otros tipos de experimentos en los que investigamos cómo dependen del contexto las respuestas de las neuronas.