A Relational Code for Objects in Primate Frontal Cortex

Cuando echamos un vistazo a un escritorio desordenado, nuestro cerebro no se limita a catalogar una lista de objetos aislados. Capta instantáneamente la escena como un todo: una taza situada a la izquierda de un portátil, una lámpara que se asoma detrás de ellos. Esta capacidad de comprender cómo los objetos se relacionan entre sí en el espacio es fundamental para la forma en que navegamos por el mundo, sin embargo, durante décadas, los neurocientíficos han luchado por determinar dónde y cómo el cerebro construye estas relaciones. Gran parte de lo que sabemos sobre los mapas espaciales del cerebro proviene del estudio de cómo neuronas individuales rastrean la ubicación de un único objeto en relación con nuestra mirada. Estas neuronas actúan como brújulas internas, disparándose cuando un artículo específico aparece en un lugar determinado de nuestra visión. Sin embargo, esta visión de "objeto único" deja un vacío. No explica cómo el cerebro mantiene en mente la disposición de múltiples objetos simultáneamente, o cómo comprende que un objeto está posicionado en relación con otro, independientemente de hacia dónde estemos mirando.

Para cerrar esta brecha, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts centró su atención en los campos oculares frontales, dos pequeñas regiones del cerebro de mono conocidas por controlar los movimientos oculares y mantener la atención espacial. Se plantearon una pregunta simple pero profunda: ¿las neuronas de estas áreas simplemente rastrean dónde están los objetos individuales, o también codifican la relación entre ellos? Para averiguarlo, entrenaron a dos macacos rhesus para realizar una tarea de memoria que involucraba uno o dos objetos. En cada ensayo, los monos debían observar una pantalla donde aparecían imágenes de frutas, una o dos, en un anillo alrededor de un punto central. Tras una breve pausa, una señal les indicaba qué objeto recordar, y debían mirar hacia esa ubicación recordada para recibir una recompensa. Los investigadores registraron la actividad eléctrica de cientos de neuronas en el cerebro de los monos mientras realizaban esta tarea, buscando patrones en la forma en que las células respondían a las posiciones cambiantes de los objetos.

Los resultados revelaron un código sorprendente y sofisticado. Mientras que algunas neuronas se comportaban como se esperaba, disparándose solo cuando un objeto específico aparecía en un punto fijo de la pantalla, la mayoría de las células registradas funcionaban de manera diferente. Estas neuronas no se preocupaban por la ubicación absoluta de un solo objeto. En su lugar, se disparaban cuando dos objetos aparecían en una disposición específica entre sí. Por ejemplo, una neurona podría dispararse con fuerza siempre que dos objetos estuvieran alineados verticalmente, independientemente de si esa línea vertical estaba a la izquierda, a la derecha o en el centro de la pantalla. Los investigadores descubrieron que estas neuronas "relacionales" no eran una clase separada y uniforme, sino que formaban parte de un espectro que iba desde el rastreo de la ubicación pura hasta lo puramente relacional. Dentro de este continuo, la mayoría de las unidades se explicaban mejor mediante la sintonización relacional que por la sintonización retinotópica, lo que indica que el cerebro no solo estaba almacenando una lista de coordenadas; estaba representando activamente la geometría de la escena, codificando la orientación de la línea que conecta los objetos.

Este descubrimiento desafía la visión sostenida durante mucho tiempo de que los mapas espaciales del cerebro se construyen únicamente a partir de coordenadas independientes centradas en el ojo. El estudio mostró que la representación espacial del cerebro es una mezcla de dos sistemas complementarios. Un sistema rastrea dónde están los objetos individuales, mientras que el otro rastrea cómo están dispuestos. Cuando los investigadores analizaron la actividad combinada de estos dos grupos de neuronas, encontraron que esta mezcla permitía una decodificación casi perfecta del diseño de la escena. Era como si el cerebro estuviera utilizando dos lenguajes diferentes para describir la misma escena, asegurando que la información fuera robusta y completa. Además, los investigadores descubrieron un vínculo directo entre este código neural y el comportamiento de los monos. La memoria de los monos sobre la ubicación de los objetos estaba ligeramente sesgada; tendían a recordar la posición de un objeto como si hubiera sido empujado lejos del otro, un fenómeno conocido como repulsión. El estudio demostró que esta peculiaridad conductual era una consecuencia directa del código relacional: debido a que las neuronas estaban sintonizadas con la relación entre los objetos, su actividad combinada naturalmente empujaba las ubicaciones estimadas para alejarlas, reflejando los errores reales de los monos.

Para entender cómo el cerebro podría generar un código tan complejo, los investigadores probaron varios modelos computacionales existentes sobre cómo las neuronas podrían procesar múltiples objetos. Los modelos estándar que simplemente promedian las señales de dos objetos o normalizan su fuerza combinada no lograron reproducir los patrones relacionales observados. Estos modelos no podían explicar por qué una neurona preferiría un par de objetos verticales sobre uno horizontal si los objetos individuales estuvieran en los mismos lugares. Sin embargo, un modelo que incorporaba la capacidad del cerebro para anticipar futuros movimientos oculares tuvo éxito. Este modelo de "campo futuro" sugirió que las neuronas podrían estar disparándose no solo por dónde están los objetos ahora, sino por dónde estarían si el mono mirara a uno de ellos. Al simular el cambio en la visión que ocurriría durante un movimiento ocular planeado, el modelo produjo naturalmente la sintonización relacional observada en el cerebro real. Esto implica que la capacidad del cerebro para comprender la disposición de los objetos está profundamente entrelazada con su plan de cómo mirarlos.

Los hallazgos sugieren que la corteza oculomotora frontal, una región que anteriormente se consideraba dedicada principalmente a la selección de objetivos únicos para los movimientos oculares, desempeña un papel mucho más amplio en la organización de nuestro mundo visual. Parece que el cerebro no solo almacena las ubicidades de las cosas; almacena la estructura de la escena misma. Este código relacional permite al cerebro mantener una comprensión estable de cómo están dispuestos los objetos, incluso mientras nuestros ojos se mueven y la imagen en nuestra retina cambia. Aunque el estudio se realizó en monos, los principios probablemente se aplican a los humanos también, ofreciendo una nueva perspectiva sobre cómo percibimos y recordamos las escenas complejas de múltiples objetos que conforman nuestras vidas diarias. La investigación no pretende haber resuelto todo el misterio de la percepción de la escena, pero proporciona un punto de apoyo concreto, mostrando que el mapa del mundo en el cerebro se construye no solo con puntos, sino con las líneas que los conectan.