Elena Soto | Palma
Cuando vemos una silla o un perro sabemos de qué objeto o animal se trata, pero ¿cómo lo sabemos? En principio, para reconocer su forma, colores o la posición espacial deben activarse distintos grupos de neuronas muy alejadas entre sí y, a su vez, acceder a los recuerdos o experiencias previas. Y lo extraordinario, aunque no seamos conscientes, es que se activan. La prueba de que existe un mecanismo que las conecta es la percepción de un todo unificado y coherente en el tiempo y en el espacio y no una fragmentación de la realidad en la que cada una de sus características y atributos se muestran por separado.
Pero ¿cómo pueden activarse coordinadamente zonas tan especializadas si se encuentran localizadas en distintas áreas de la corteza cerebral? Y la respuesta parece estar en la sincronización, un fenómeno que ocurre en cualquier escala, desde la subatómica a la astronómica y que podemos observar tanto en los sistemas artificiales (láseres) como en los naturales (bandadas de pájaros, latidos del corazón o conexión entre neuronas).
Hay una corriente de neurocientíficos que opinan que la percepción coherente y otros procesos cognitivos requieren una sincronización precisa de la actividad neuronal de algunas regiones corticales. En este línea apunta el estudio de los investigadores del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC) –centro mixto de la UIB y el CSIC– que concluye que, en el cerebro, el hipocampo es el responsable de coordinar la percepción visual con los recuerdos que se tienen de lo que se percibe.
Su trabajo consiste en ofrecer una base física sobre la cual se pueda sustentar este fenómeno y, en este sentido, han demostrado que se puede obtener una sincronización perfecta y simultánea (con retraso cero) entre dos elementos arbitrariamente alejados, si éstos interaccionan a través de un tercero que está equidistante y dispuesto entre ellos. En el caso del cerebro, y para el ejemplo que hemos mencionado, las áreas involucradas son la corteza visual y la frontal y la coordinadora de la actividad de ambas es el hipocampo. Este grupo se basa en modelos matemáticos que describen el comportamiento de las neuronas y sus interacciones. La hipótesis para explicar este fenómeno de sincronización es que hay un área subcortical que coordina la actividad de las distintas áreas corticales para que actúen a la vez. Y proponen que, dependiendo de la tarea cognitiva que se lleve a cabo, puede ser el hipocampo o el tálamo.
«El fundamento de esta teoría», explica Claudio Mirasso, investigador del IFICS, «surgió del estudio de tres láseres acoplados, un campo aparentemente lejano al de la neurociencia pero con el que guarda sorprendentes similitudes». Y es que, bajo ciertas condiciones, los láseres de semiconductores tienen un comportamiento dinámico similar al de las neuronas. Como si fueran interruptores, ambos se activan y desactivan a medida que transcurre el tiempo; a veces lo hacen espontáneamente y otras cuando reciben señales. Al estudiarlos, estos físicos se valen de ecuaciones matemáticas que los modelan y esto mismo se realiza para describir los pulsos eléctricos que genera una neurona o las sinapsis (conexiones) que se producen entre ellas.
En la investigación recientemente publicada por este grupo del IFISC, junto con el Laboratorio de Neurociencia Funcional de la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla, se ha probado mediante modelos matemáticos y animales que el hipocampo codifica la información espacial cuando las personas se mueven a través de localizaciones específicas y que hay coordinación entre éste y la corteza prefrontal, donde se supone que se almacenan parte de los recuerdos. Sin embargo, hasta ahora no existía la evidencia de que este tipo de interacción pudiera darse cuando participaba una tercera área cortical.
Para estudiarlo, en la Universidad Pablo de Olavide se llevaron a cabo diferentes experimentos en ratones, tanto cuando los roedores exploraban el entorno de las jaulas como cuando se mantenían quietos, al tiempo que se monitoreaba simultáneamente su corteza virtual, hipocampo y corteza prefrontal. Los resultados revelaron que las actividades de ambas cortezas, a pesar de que las separa una distancia apreciable, se activaban al unísono. En otras palabras, el ratón está observando y evaluando a la vez si aquello que ve le es familiar. Por su parte, el hipocampo, que también se sincroniza con ambas áreas, lo hace en menor medida y con un cierto tiempo de retraso, que corresponde al tiempo que las señales tardan a viajar desde éste a las zonas corticales.
Estos experimentos en vivo validan empíricamente los modelos teóricos matemáticos realizados por el IFISC y representan un gran paso para entender la complejidad del funcionamiento del cerebro. Pero el modelo va más allá, ya que revela que el hipocampo es el responsable de generar los ritmos que conducen a la sincronización visual-prefrontal. Sin estos ritmos, la sincronización no existiría.
Lo que deja patente este estudio, como otros muchos en los que los físicos trabajan codo con codo con investigadores de otros campos, es que si queremos llegar a entender cómo funcionan los sistemas donde existe una cantidad suficiente de elementos interconectados �sean éstos células, moléculas, redes sociales o neuronas conectándose a través de impulsos eléctricos� se impone analizarlos también desde la óptica de la Física; una disciplina que en las últimas décadas está realizando contribuciones esenciales a otras ciencias desde la teoría de la complejidad.