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El funcionamiento de las neuronas requiere matemáticas
para ser explicado
Las neuronas del sistema táctil hacen cálculos estadísticos para adaptarse al
entorno
El físico español Miguel Maravall, del Instituto de Neurociencias de Alicante,
ha liderado una investigación internacional sobre el sistema táctil de las ratas
a través de la cual se ha observado cómo las neuronas del sistema táctil hacen
cálculos estadísticos para adaptarse al entorno. En la siguiente entrevista,
Maravall explica cómo se ha obtenido este resultado y describe cómo es el
funcionamiento de las neuronas del sistema táctil. Concluye que ahora
“entendemos mejor cómo representan las neuronas el medio”. Destaca
asimismo que el funcionamiento de las neuronas requiere herramientas
matemáticas para ser explicado y que todavía queda por descubrir 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 Yaiza Martínez.
íí
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.
Viernes 26 Enero 2007
Yaiza Martínez
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