Descifrando el código neuronal con olores fantasmas

en la ceremonia de apertura matriz, Filas de extraños caracteres de teclado fluyen por una vieja pantalla de computadora monocromática. Representan el desprendimiento del velo de la experiencia digital, recordándonos que cada sabor, olor y color que experimentamos es, en cierto modo, un engaño: calcular palabra por palabra en un cerebro que trabaja en la tranquila oscuridad del cráneo fuera del historia. No necesitamos hardware especial para entrar en la matriz. Solo necesitamos entender el hardware especial que se nos ha dado: nuestro cerebro.

La razón por la que no podemos cambiar la experiencia en la experiencia similar a una matriz que nos gusta es que realmente no entendemos el código neuronal. No existe un cerebro en el que Alan Turing pueda estudiar patrones arbitrarios de actividad cerebral y decir: «Experimentando la imagen de un gato beige ahora mismo». actividad cerebral relacionada con el patrón espacial. Pero cuando se pone a prueba, nuestra ignorancia se hace evidente rápidamente incluso cuando se trata de los problemas mecánicos más básicos. ¿Seguirías viendo un gato beige si unas pocas células cerebrales se dispararan medio segundo antes? ¿Qué sucede si se disparan tres unidades adicionales en rápida sucesión? En respuesta, todo lo que los neurocientíficos pueden hacer es encogerse de hombros y hacer algunas afirmaciones generales sobre la posible importancia del código, el patrón y el tiempo. Pero es posible que Dmitry Limberg y su equipo de investigación de la Universidad de Nueva York hayan descubierto parte de la respuesta.

En un fascinante artículo reciente, los investigadores utilizaron puntos de luz controlados con precisión para insertar olores fantasmas directamente en el centro del cerebro olfativo en ratones, sin pasar por la nariz por completo. También pudieron ajustar sistemáticamente el patrón y probar cómo cambió la experiencia de los animales. El estudio es uno de los estudios más audaces y sistemáticos sobre «hackeo experiencial» hasta la fecha.

Implantar percepciones específicas, repetibles, fácilmente ajustables y totalmente sintéticas no es poca cosa. Para hacer esto, Rinberg y sus colegas usaron ratones modificados genéticamente para pasar de contrabando un canal de rodopsina sensible a la luz en sus neuronas olfativas. Cuando la luz llega a estas neuronas modificadas, evoca actividad neuronal, breves «picos» eléctricos que sirven como el lenguaje básico del sistema nervioso, cuyo tiempo se puede controlar con precisión. Debido a que la parte del cerebro que procesa la información sensorial de la nariz se encuentra cerca de la superficie del cráneo, los investigadores pudieron omitir la nariz y escribir con un aroma artificial de su propio diseño. Al estimular directamente el cerebro olfativo, el equipo básicamente tenía un control total sobre qué células estaban activas, cómo estaban dispuestas y cuándo se activaban. Los científicos pueden crear aromas personalizados con solo pulsar un interruptor de luz.

La mayoría de los aromas naturales provocan una actividad extensa y compleja en el cerebro. Sin embargo, para sondear y descifrar el código neuronal, los investigadores eligieron un patrón modesto y manejable que consiste en seis pequeños puntos, distribuidos aleatoriamente y estimulados continuamente: una melodía neuronal de seis tonos que dura aproximadamente un tercio de segundo. Los ratones nunca pueden decirnos con seguridad, pero este patrón de «nota» probablemente les olía a algo porque se distinguía de otros olores, así como de otros patrones de seis notas en las pruebas de comportamiento.

Durante una parte clave del experimento, los ratones jugaron un juego de «encontrar la diferencia». Debido a que primero fueron entrenados para exhibir comportamientos de lamido que solo respondían a la plantilla original de seis notas, los experimentadores pudieron medir cuántos lamidos persistieron a medida que se ajustaba el patrón y, por lo tanto, cuántos ratones fueron engañados por el cambio. Si un cambio en particular, por ejemplo, dejar solo la primera nota del conjunto, se detecta de manera fácil y confiable, entonces es una indicación de que esa nota tuvo un efecto en la experiencia. Por el contrario, si, por ejemplo, cambiar la identidad de la nota de la sexta neurona no fuera obvio, tendría menos efecto en la experiencia. De acuerdo con el trabajo anterior, gran parte del cual fue realizado por el grupo de Rinberg, las notas neuronales tempranas tendían a ser más informativas e importantes para la percepción que las notas neuronales posteriores. En términos más generales, se descubrió que el momento preciso de la actividad neuronal es una variable clave en la codificación del olor, lo que contradice algunos modelos influyentes que argumentan que el cerebro ignora las diferencias temporales sutiles. El cerebro parece preocuparse por organizar sus notas en patrones melódicos, no solo por escucharlas como acordes apilados.

Las ideas sobre la codificación neuronal se han desarrollado históricamente a partir del estudio de los sistemas de comunicación y las computadoras, lo que significa que tienden a ser muy abstractas y enmarcadas por «puertas», «nodos» y «canales» idealizados. Si bien no faltan propuestas teóricas de alto nivel para el almacenamiento, la representación y el enrutamiento de la información en el cerebro, son difíciles de probar en el ámbito de la carne y el comportamiento. Dada esta situación, el apoyo a los paradigmas teóricos a menudo se basa en evidencia indirecta y relevante, incluso si es muy sugerente y se parece mucho a los procesos observados en las computadoras digitales. La belleza del paradigma del equipo de Rinberg es que hace fácilmente comprobables las abstracciones (al menos en el contexto de la codificación olfativa).

Como ejemplo de tal prueba, considere la sugerencia teórica de una representación de «código de barras», en la que incluso el más mínimo cambio en los patrones de actividad neuronal, por ejemplo, la falla de una sola célula para activarse, puede conducir a una experiencia sensorial completamente diferente. . Si el cerebro realmente usa este esquema hipotético de codificación altamente exigente, entonces un pequeño ajuste al patrón original de la plantilla de seis notas debería ser tan dramático como uno nuevo. De hecho, los investigadores encontraron casi lo contrario. Así como una nota plana en la melodía no la hace completamente irreconocible, una nota ligeramente empujada de la «melodía» del aroma original solo cambia ligeramente la experiencia del mouse. Es importante destacar que, a medida que se agregaban deliberadamente más «notas incorrectas», tenían un efecto aditivo simple en la experiencia (al menos, medido por la capacidad de los animales para distinguir entre olores).Quizás lo más impresionante es que el equipo incorporó esta observación sobre la linealidad del código en un modelo estadístico que predijo con precisión el par de ratones ningún Codificación arbitraria de patrones de seis notas.

Este artículo examina experiencias específicas en el cerebro con un detalle sin precedentes. esa experiencia especialAl menos en el contexto del olfato, la respuesta es humanista: la experiencia es cuestión de tiempo, la suma de muchos pequeños detalles. No está claro cómo estos resultados se generalizan más allá del sentido más amplio del olfato o sentido. Las diferentes regiones del cerebro tienen diferentes objetivos y restricciones computacionales, por lo que puede ser más preciso decir varios códigos para un órgano que un único código general. Tampoco sabemos mucho acerca de cómo se estimula el cerebro para producir experiencias perceptivas complejas preseleccionadas.El trabajo de Limberg y sus colegas pregunta muy estratégicamente solo a qué huele en relación con la plantilla inicialPor el momento, la matriz tiene un largo camino por recorrer. Pero esta investigación será un importante hito inicial si queremos lograr simulaciones integrales similares a matrices en el futuro lejano.