Increased activity without changes in coupling between somata and apical dendrites during visual mismatches

El cerebro no es una cámara pasiva que simplemente registra el mundo tal como aparece. En cambio, es un predictor activo, que genera constantemente conjeturas sobre lo que sucederá después basándose en todo lo que ha aprendido del pasado. Cuando estiras la mano para alcanzar una taza de café, tu cerebro ya ha anticipado su peso y posición antes de que tu mano siquiera se mueva. Esta capacidad de comparar los datos sensoriales entrantes con las expectativas internas es una teoría fundamental de cómo funciona la corteza, la capa exterior del cerebro. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que cuando la realidad no coincide con estas predicciones, el cerebro genera una señal específica para señalar el error. Sin embargo, demostrar exactamente cómo sucede esto ha sido difícil porque el cerebro procesa estas señales de formas complejas, que a menudo implican que diferentes partes de la misma célula nerviosa trabajen juntas al mismo tiempo.

Para comprender este proceso, los investigadores se han centrado en la neurona piramidal, un tipo común de célula cerebral con forma de pirámide. Estas células tienen un cuerpo principal, llamado soma, que actúa como centro de mando, y un brazo largo y ramificado llamado dendrita apical que se extiende lejos para recibir información. Algunas teorías sugieren que la dendrita recibe predicciones "top-down" (de arriba hacia abajo) de otras partes del cerebro, mientras que el soma recibe datos "bottom-up" (de abajo hacia arriba) de los sentidos. La idea es que la célula compara estos dos flujos de información para detectar un desajuste. Si la predicción es errónea, la célula podría disparar de forma diferente o cambiar la manera en que sus partes se comunican entre sí. La gran pregunta ha sido si esta comparación ocurre dentro de una sola célula y, de ser así, si el cuerpo y el brazo largo de la célula reaccionan de manera coordinada cuando ocurre una sorpresa.

Un equipo de investigadores se propuso observar este proceso en tiempo real utilizando ratones. Querían ver si podían captar a estas células en el acto de detectar una sorpresa y, específicamente, si la sorpresa causaba que el cuerpo de la célula y su largo brazo se iluminaran juntos o por separado. Para lograrlo, utilizaron un microscopio sofisticado que podía mirar profundamente en los cerebros de ratones despiertos y en movimiento. Se centraron en la corteza visual, la parte del cerebro que procesa lo que ven los ojos. Entrenaron a los ratones para que observaran secuencias específicas de imágenes hasta que los animales se acostumbraron a ellas, enseñándoles esencialmente qué esperar. Luego, introdujeron cambios inesperados en las secuencias para ver cómo reaccionaba el cerebro.

El experimento involucró dos tipos de estímulos visuales muy diferentes. Primero, los ratones observaron clips cortos de escenas naturales, como gusanos retorciéndose en la tierra o ratones corriendo al aire libre. Estos clips se reprodujeron hacia adelante hasta que los ratones se habituaron y, de forma inesperada, se reprodujo una parte del clip en reversa. Esta inversión rompió el flujo natural del tiempo y el movimiento, creando una sorpresa genuina para el animal. Segundo, a los ratones se les mostraron secuencias de formas artificiales simples llamadas parches de Gabor, que son esencialmente barras de luz difusas en ángulos específicos. Estos parches cambiaban en un patrón predecible y, luego, un parche rotaba inesperadamente a un ángulo diferente. Los investigadores utilizaron un microscopio de doble plano para registrar la actividad tanto de los cuerpos celulares como de las puntas distantes de las dendritas de miles de neuronas simultáneamente. Esto les permitió ver si las dos partes de la célula reaccionaban de forma sincronizada cuando ocurría una sorpresa.

Los resultados fueron claros e impactantes para los clips de películas naturales. Cuando el video se invirtió repentinamente, las neuronas en la corteza visual dispararon con mayor intensidad que cuando se reproducía el mismo clip en un orden totalmente invertido y no sorprendente. Este aumento de la actividad era una señal de que el cerebro había detectado un desajuste entre lo que esperaba y lo que veía. Crucialmente, esta reacción ocurrió tanto en los cuerpos celulares como en las dendritas apicales. Las dos partes de la célula mostraron un aumento de actividad, pero los investigadores no encontraron evidencia de que la relación o "acoplamiento" entre ellas cambiara durante la sorpresa. Este patrón fue consistente en diferentes capas de la corteza visual y en diferentes regiones del cerebro. Los investigadores también encontraron que esta reacción era más fuerte cuando los ratones encontraban la reversión por primera vez y disminuía gradualmente a medida que los ratones eran expuestos a la sorpresa repetidamente a lo largo de varios días, lo que sugiere que el cerebro estaba aprendiendo a incorporar el nuevo patrón en sus expectativas.

Sin embargo, la historia cambió completamente cuando los investigadores cambiaron a los parches de Gabor artificiales. A pesar del cuidadoso diseño del experimento, los ratones no mostraron los mismos signos claros de sorpresa cuando la orientación de las formas simples cambiaba inesperadamente. Las neuronas no dispararon significativamente más en respuesta al ángulo desajustado en comparación con las secuencias de control. Los investigadores descartaron varias explicaciones alternativas, como que las células simplemente estuvieran cansadas por la observación repetida o que estuvieran reaccionando a la novedad de una nueva forma. Los datos sugirieron que el sistema visual está altamente sintonizado con el flujo complejo y continuo de las escenas naturales, pero no trata de la misma manera los patrones simples y artificiales. El cerebro parece tener expectativas basadas en las estadísticas del mundo natural, y le cuesta generar el mismo tipo de señal de error cuando esas expectativas son violadas por patrones abstractos y creados por el hombre.

Quizás el hallazgo más significativo se refirió a cómo se comunicaban las diferentes partes de la neurona entre sí. Muchas teorías predecían que cuando ocurre un desajuste, la conexión entre el cuerpo celular y la dendrita cambiaría, tal vez volviéndose más fuerte o más débil para facilitar la señal de error. Los investigadores buscaron evidencia de esto midiendo qué tan estrechamente estaba acoplada la actividad en la dendrita con la actividad en el cuerpo celular. Encontraron que no hubo evidencia de que este acoplamiento cambiara durante la sorpresa. Las dos partes de la célula permanecieron tan conectadas durante un desajuste como lo estaban durante una secuencia normal y esperada, lo que significa que el cerebro no dependió de un cambio repentino en la forma en que estos dos compartimentos se hablan para señalar un error. En cambio, la célula completa simplemente se volvió más activa de una manera unificada cuando detectó una desviación del mundo natural.

Estos hallazgos ofrecen una nueva perspectiva sobre cómo el cerebro procesa el mundo visual. Confirman que la corteza visual es sensible a las desviaciones de los patrones naturales, generando una señal robusta cuando el flujo de la realidad se interrumpe. Sin embargo, también muestran que esta sensibilidad no es una respuesta universal a todas las sorpresas; es específica para los estímulos complejos y dinámicos que el cerebro evolucionó para manejar. Además, el estudio desafía la idea de que el mecanismo de detección de errores del cerebro depende de una reconfiguración dramática de cómo interactúan las partes de una sola neurona. En cambio, el cerebro parece utilizar una forma de comunicación más distribuida y estable, donde la célula completa simplemente "despierta" para señalar que algo en el mundo natural ha salido mal. Este trabajo ayuda a aclarar la maquinaria biológica detrás de la predicción, mostrando que nuestros cerebros están finamente sintonizados con el ritmo de la naturaleza, pero quizás menos con el diseño rígido y artificial.