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Resumen: Una nueva investigación se centra en cómo la memoria puede afectar la percepción de la información auditiva y visual.
Aleena Garner aún recuerda el momento en que decidió dedicarse a la neurobiología. Estaba en una clase de química de grado cuando se dio cuenta: el cerebro humano, ese órgano de tres libras capaz de llevar a cabo una serie interminable de tareas sofisticadas, está compuesto de los mismos elementos que el yogur.
“A pesar de tener una composición similar a la del yogur, nuestro cerebro es considerablemente más capacitado. ¿Cómo puede ser esto? Esa es una gran pregunta que me he hecho durante mucho tiempo”, dijo Garner.
Garner, quien recientemente se convirtió en profesora adjunta de neurobiología en el Instituto Blavatnik de la Escuela de Medicina de Harvard, está abordando esta pregunta al explorar cómo el cerebro procesa la información sensorial.
En una conversación con Harvard Medicine News, Garner profundizó en su investigación, que se centra en cómo la memoria afecta la percepción de la información visual y auditiva.
Comprender estas interacciones no solo mejorará la comprensión general del cerebro, dijo, sino que podría ser útil en situaciones como el trastorno de estrés postraumático (TEPT), donde se interrumpen.
HMNews: ¿Por qué estás estudiando la percepción en el contexto de la memoria?
Garner: Tradicionalmente, pensamos que la memoria ocurre en una región cognitiva de orden superior del cerebro que está separada de las regiones sensoriales que procesan información más básica sobre el mundo. Por lo tanto, tiene sentido observar las regiones sensoriales con respecto a la información visual que entra mediante los ojos y la información auditiva que entra a través del oído.
Sin embargo, no entendemos por qué parece haber más retroalimentación de las áreas cognitivas de orden superior a las regiones sensoriales que de los órganos receptores como el ojo y el oído.
Tampoco sabemos por qué la corteza auditiva y la corteza visual se comunican entre sí antes de enviar información a las regiones cerebrales de orden superior. Tiene sentido que queramos formar una imagen pura de lo que estamos viendo o escuchando en el mundo, pero la anatomía del cerebro sugiere que en realidad estamos alterando lo que percibimos en nuestras regiones sensoriales tempranas antes de que esta información llegue a las áreas cognitivas de orden superior.
Uno de los grandes objetivos de mi laboratorio es investigar la comunicación entre las regiones sensoriales tempranas y las regiones cognitivas de orden superior del cerebro para comprender cómo interactúan.
Más específicamente, queremos saber cómo usamos la memoria. Una aplicación de la memoria podría ser construir una imagen del mundo para que podamos predecir lo que va a pasar.
Si entras en una habitación nueva, entiendes que no puedes atravesar las paredes porque puedes hacer predicciones en un contexto nuevo basado en lo que ya sabes. Sabes que puedes tomar un vaso de agua y beber de él, por lo que no necesitas gastar mucha energía neuronal procesando esa información. En cambio, tu cerebro gasta más energía procesando una conversación con otra persona y pensando en cosas que no esperabas, como una pregunta que nunca antes te habían hecho. Tu cerebro puede entonces actualizar su modelo para incorporar esta nueva información.
Los recuerdos nos permiten gastar menos energía procesando las cosas que esperamos, permitiéndonos amplificar la señal de las cosas que no esperamos. Estamos interesados en cómo funciona este proceso.
HMNews: ¿Tiene otros ejemplos de cómo la memoria puede alterar nuestra interpretación de la información sensorial?
Garner: Si estás en la acera y escuchas una sirena cuando estás a punto de cruzar un paso de peatones, te detienes porque la experiencia te dice que pasa una ambulancia. En ese momento, tu sentido auditivo activa la imagen visual de una ambulancia.
Sin embargo, tal vez la sirena termine siendo un juguete para niños en lugar de una ambulancia. Si eso sucede con la suficiente frecuencia, eventualmente, cuando escuches la sirena, pensarás que es solo el juguete de alguien y pese a ello caminarás hacia el paso de peatones. Esto se debe a que tu experiencia y memoria han cambiado tu imagen del mundo y, por lo tanto, interpretas la sirena de manera diferente.
En ocasiones, un mismo estímulo se integra en dos recuerdos distintos, uno positivo y otro negativo. Entonces la pregunta es cómo sabe tu cerebro cómo reaccionar. Eso dependerá de las otras señales sensoriales alrededor del estímulo.
Si ves una imagen y escuchas una campana, eso puede significar que vas a recibir una recompensa, pero si ves la misma imagen y escuchas un sonido de golpe, eso puede significar que vas a recibir un castigo. En este ejemplo, su experiencia con la información auditiva cambia la forma en que interpreta la información visual.
Queremos saber cómo el cerebro hace estos ajustes y dónde están ocurriendo estos cambios.
HMNews: ¿Hay aplicaciones potenciales de su investigación que le interesen?
Garner: Un objetivo del laboratorio a más largo plazo es analizar casos relacionados con traumas como el Estrés Postraumático (PTSD). Normalmente, las personas pueden distinguir cuándo un estímulo es seguro y cuándo no lo es. Sin embargo, en el Estrés Postraumático (PTSD), esta capacidad se interrumpe y uno de los síntomas puede ser generalizar en exceso y temer un estímulo, incluso cuando no es necesario. Esta respuesta de miedo puede causar una reacción física como tensión muscular y congelación.
Hay algunos trabajos en humanos que analizan cómo el tronco encefálico está involucrado en la fisiología del cuerpo y cómo reaccionamos a los estímulos. Quiero observar las conexiones entre el tronco encefálico y las regiones corticales del cerebro para ver cómo funciona la comunicación y cómo se interrumpe después de un trauma, primero en ratones y, finalmente, en humanos.
También estoy interesada en las funciones motoras del cerebro. Estuve en fisioterapia por un tiempo después de un accidente de escalada en roca y conocí a pacientes con la enfermedad de Parkinson que estaban entrenando en rehabilitación y fisioterapia para mejorar. Es notable: la fisioterapia y el entrenamiento ayudan con los síntomas a pesar de que el Parkinson es una enfermedad neurodegenerativa.
Quiero explorar intervenciones para enfermedades neurodegenerativas que se basen en la conectividad entre las regiones sensoriales de la corteza y el tronco encefálico. Tales intervenciones pueden entrenar al cerebro para que tenga una mayor función motora incluso cuando algunas de las áreas motoras primarias se deterioran.
HMNews: Recientemente publicó un artículo en Nature Neuroscience que exploró la memoria y las predicciones audiovisuales en ratones. ¿Qué descubrió?
Garner: La motivación para el trabajo fue una pregunta básica: si un estímulo visual se integra en un recuerdo, ¿se representa de manera diferente en la corteza visual primaria del cerebro? En otras palabras, es un estímulo visual que se presenta de una manera relativamente neutral procesada de manera diferente por el cerebro que el mismo estímulo presentado durante una recuperación de memoria específica. En el estudio, utilizamos una señal auditiva para activar un recuerdo sobre un estímulo visual.
Resultó que había una diferencia. La respuesta al estímulo visual se suprimió después de que el ratón aprendiera a asociarlo con una señal auditiva que activaba la memoria. Pero no sabíamos qué estaba causando esta supresión. Los científicos han determinado que existe una gran proyección desde la corteza auditiva hasta la corteza visual tanto en primates como en ratones, pero no se comprende la función de esta vía, por lo que decidimos investigarla.
Descubrimos que los axones auditivos tenían respuestas auditivas y visuales, y que el número de axones que respondían visualmente aumentaba a medida que se entrenaba al ratón para asociar las señales auditivas y visuales.
A continuación, desarrollamos una técnica de mapeo funcional que implicaba excitar sintéticamente la entrada auditiva a la corteza visual mientras observamos los efectos sobre la actividad de las neuronas de la corteza visual. Curiosamente, cuando excitamos la entrada auditiva, vimos una supresión selectiva de las neuronas de la corteza visual que respondían al estímulo visual asociado con la señal auditiva, pero solo después de que el ratón aprendió a asociar el estímulo visual con la señal auditiva.
De hecho, estas neuronas de la corteza visual que fueron inhibidas por la estimulación sintética de la entrada auditiva fueron las principales responsables de la supresión de la respuesta visual después de que el ratón aprendiera la señal auditiva.
Estos resultados nos brindan un mecanismo para explicar la supresión dependiente de la experiencia de las respuestas visuales después de una señal auditiva predictiva aprendida.
HMNews: En su investigación utiliza un sistema de realidad virtual diseñado para ratones. ¿C’оmo funciona?
Garner: En el sistema, un ratón está en una cinta esférica: una pelota en el aire con una pantalla en forma de cúpula a su alrededor. La cinta de correr le permite al ratón rotar su torso y mover sus piernas en diferentes direcciones, pero mantiene al ratón en su lugar para que podamos medir la actividad de cientos de neuronas en su cerebro. Luego, unimos el movimiento del mouse a lo que sea que proyectemos en las paredes de la cúpula, creando una realidad virtual donde, a medida que el ratón gira, el mundo gira en sentido contrario, como en la vida real.
Esta configuración nos permite tener un control temporal y espacial preciso sobre los estímulos auditivos y visuales que experimenta un ratón. Creamos paredes virtuales en el domo, de modo que el ratón pueda trasladarse a la pared, pero no puede pasar. También proyectamos diferentes tipos de patrones y formas visuales en las paredes y presentamos sonidos utilizando un sistema de sonido envolvente. Es como un cine IMAX interactivo en 3-D del tamaño de un ratón.
Luego usamos imágenes de calcio para registrar la actividad neuronal mientras el ratón explora este mundo virtual interactivo.
HMNews: Su descripción me hace pensar en un ratón jugando a un videojuego…
Garner: Sí, eso es exactamente lo que es [risas]. Con la realidad virtual podemos hacer todo tipo de cosas interesantes sin tener que levantar físicamente el ratón y moverlo de un lugar a otro, lo que afecta el comportamiento e incluso la transcripción de genes.
Según Garner, comprender estas interacciones no solo mejorará la comprensión general del cerebro sino que podría ser útil en situaciones como el trastorno de estrés postraumático (TEPT), donde se interrumpen. La imagen es de dominio público.
Podemos accionar un interruptor para cambiar instantáneamente el entorno, de modo que podamos ver el aprendizaje contextual sin cambiar nada más que el contexto. Eso sería imposible en un entorno real.
Christopher Harvey, profesor asociado de neurobiología en HMS, desarrolló esta tecnología durante su trabajo posdoctoral, por lo que estoy muy emocionada de trabajar en el mismo departamento que él. Es una excelente oportunidad.
Fuentes:
Estudio original: Acceso cerrado.
“A cortical circuit for audio-visual predictions” by Aleena R. Garner et al. Nature Neuroscience
Imagen: Dominio público
