martes, 6 de marzo de 2012

EL LENGUAJE DE LAS NEURONAS


¿Cómo consiguen las neuronas transformar en impulsos eléctricos los estímulos que les llegan desde el exterior?. Poco a poco vamos descifrando el lenguaje críptico del cerebro.

          El cielo del crepúsculo, el canto de un pájaro o el aroma de una rosa nos parecen tan evidentes, que no solemos preguntarnos si tales percepciones se corresponden con la realidad. En sentido estricto, los sonidos, los colores, los sabores o los aromas se generan en nuestro cerebro. Los estímulos físicos procedentes del entorno –roces en nuestra piel, ondas sonoras, ondas electromagnéticas o moléculas aromáticas- llegan a nuestros órganos de los sentidos y a los receptores sensoriales distribuidos por el cuerpo. Se traducen en señales nerviosas. A ese proceso traductor se le denomina codificación.

          El flujo de ondas electromagnéticas se convierte en nuestro cerebro en la percepción de una “flor azul”. Pero lo que percibimos como una flor encierra bastante más información de la que sabemos distinguir. Carecemos de los receptores apropiados para captar muchos estímulos físicos. Además, en la codificación no se procesan todos los detalles, cuando no se pierden en el proceso de transmisión. No obstante todo ello, a partir de las informaciones que en condiciones normales le llegan al cerebro consigue construir una imagen útil del mundo que nos rodea. Y él mismo genera señales que, por regla general, tienen como resultado una conducta adecuada.

          A finales del siglo XIX se estableció que los componentes elementales del cerebro eran las neuronas. Sigue, sin embargo, abierta la cuestión en torno al mecanismo en cuya virtud se generan, a partir de procesos biofísicos cerebrales, los fenómenos psicológicos que conlleva el acto de la percepción. ¿Qué procesos son esenciales en cada neurona y cuáles irrelevantes?. ¿A qué da lugar la actividad conjunta de grupos restringidos de neuronas y qué es lo que origina el estímulo de áreas enteras del cerebro?. En otras palabras, ¿qué idioma habla el cerebro?.

          Un procedimiento típico en este ámbito de la ciencia consiste en estimular sensorialmente un animal y medir la “respuesta” observada en una determinada célula nerviosa. Pero las neuronas se hallan en permanente actividad, incluso en ausencia de estímulos exteriores; por ejemplo, durante el sueño. Este tráfico interno de señales transforma sin cesar el estado en que se encuentra el cerebro. Por consiguiente, las mismas señales aferentes en momentos diferentes nunca inciden sobre el mismo sistema. Es estado de vigilia, la atención  y las experiencias anteriores modifican la conducta de las neuronas. En breve, los fenómenos neuronales observados en respuesta a un estímulo pueden ser similares o completamente diferentes de un momento a otro.

          Para reducir al mínimo la influencia de todos esos factores los neurólogos concentran su atención en áreas cerebrales cuya actividad se corresponda lo más directamente posible con los estímulos aplicados en los experimentos; se pretende que el sistema nervioso no sufra alteraciones durante su curso.

          Una neurona recibe señales aferentes procedentes del sistema radicular de sus dendritas. Luego, el soma celular las integra y las transmite, constituidas en señal eferente, al axón; llegan a este a través de la protuberancia axonal (saliente del que parte el axón). En su extremo, el axón se ramifica y establece, a su vez, conexión con otras neuronas.

El olor excitante de la rosa.

          La transmisión de la señal en el interior de la neurona procede mediante la propagación de cambios de potencial a lo largo de la membrana celular, dotada de carga eléctrica. Si una señal eléctrica supera un determinado valor en la protuberancia axonal la membrana reacciona desencadenando un “potencial de acción”. Por tal se entiende un impulso que atraviesa el axón; en una corta fracción de segundo, cambia el potencial de membrana de manera característica.

          El problema fundamental para descrifrar el código neuronal estriba en que las propiedades físicas de los potenciales de acción no indican qué tipo de estímulos los han desencadenado. Da igual que escuchemos nuestra pieza preferida, nos deleite el aroma de una rosa, miremos la televisión o acariciemos un gato, todos los potenciales de acción que ante estos estímulos desencadenan las neuronas tienen las mismas características. A la manera en que las palabras de un idioma se forman con un solo alfabeto, el lenguaje de las neuronas tiene en la espiga su elemento básico. Las espigas adquieren siempre la misma forma, pero en la corteza cerebral esta presentación es capaz de combinar los estímulos más dispares; por ejemplo, auditivos y visuales. En ello se funda la sospecha de que el soporte de percepciones y pensamientos, incluso los más abstractos, resida en las espigas, cuyas combinaciones conforman el código neuronal.

          ¿Cómo “sabe” una neurona que la información que le llega es un aroma y no un sonido?. Tal modalidad de estímulo, así se llama el fenómeno, viene codificada por la vía nerviosa que va desde el receptor sensorial hasta la neurona en cuestión, posiblemente pasando por diversas estaciones intermedias. Pero una neurona puede “saber” más. David Hubel y Torsten Wiesel de la facultad de medicina de Harvard, comprobaron hace unos cuarenta años que determinadas neuronas de la corteza visual primaria respondían muy bien a rayos luminosos con una orientación determinada, rayos que incidían en un área circunscrita del campo visual, el denominado campo receptor, y seguían cierta dirección.

          En el marco de estos ensayos midieron el cociente de respuesta de las neuronas corticales ante estímulos experimentales. Partían del supuesto de que la información esencial radica en el número de potenciales de acción por unidad de tiempo. El cociente se calcula contando el número de potenciales de acción a lo largo de un intervalo de tiempo suficientemente prolongado y dividiendo por la duración de dicho intervalo.

          A Hubel y Wiesel debemos otro hallazgo interesante: las neuronas que responden a posiciones y orientaciones similares ocupan lugares próximos en la corteza cerebral. Por tanto, las posiciones y las orientaciones de los estímulos visuales pueden dibujarse en la superficie de la corteza cerebral, cartografiarse. Las neuronas situadas en una misma columna perpendicular a la superficie corporal, en las llamadas columnas corticales, reaccionan ante estímulos similares. Por este descubrimiento Hubel y Wiesel recibieron el premio Nobel en 1981.

          Podría levantarse un mapa similar en la corteza motora que planifica y dirige los movimientos del cuerpo. Es la “parte emisora” del cerebro. También allí, las actividades neuronales vecinas estimulan grupos musculares próximos. Si se mide la actividad de las neuronas de estas áreas motoras, se comprueba que el número de potenciales de acción por unidad de tiempo se corresponde con diversos parámetros motores. En otras palabras: el ritmo de excitación de estas neuronas codifica los movimientos.

          Para que la medida del cociente de respuesta resulte operativa, hemos de considerar una ventana temporal de un segundo al menos; de lo contrario, el valor vendría sesgado por la elección arbitraria de la duración de dicho intervalo. La razón de ello estriba en que la mayoría de las veces las neuronas no se excitan como un ritmo regular. Es lógico pensar, pues, que la información no sólo esté contenida en el número de espigas, sino también en el modelo que sigue la distribución de espigas a lo largo del tiempo. Para objetivar esta distribución, el interalo de estudio se divide en numerosos subintervalos, muy cortos; tras múltiples repeticiones, se calcula la cuantía media de espigas por intervalo. Como resultado se obtiene el histograma periestimular temporal (PSTH, en su sigla inglesa).

          Si esta detallada representación ofreciera mayor información que el número escueto de potenciales de acción por unidad de tiempo, dispondríamos de un método para obtener datos más exactos sobre los estímulos desencadenantes. En 1987, Lance Optican y Barry Richmond, del Instituto Nacional de la Salud en Bethesda, confirmaron la hipótesis. Mostraron a un gato diversos modelos ajedrezados. Basándose en el PSTH de una neurona de la corteza visual del felino, identificaron el estímulo visual presentado, lo que hubiera sido punto menos que imposible de haberse fundado exclusivamente en el número total de espigas.

La imagen de la estación de telégrafos.

          Hay diversas características de las actividades neuronales que pueden encerrar información sobre un estímulo. El problema está en distinguir las características esenciales. ¿Proporciona el momento en que aparecen las espigas más información que su puro número?. Importa, además, saber entre cuántos componentes del estímulo puede discriminar una neurona.

          En la teoría de la información propuesta en 1948 por Claude Shannon encontramos ideas valiosas para abordar este tipo de cuestiones. La teoría de Shannon descansa sobre tres pivotes: emisor, receptor y canal de información entre ambos. Para su interacción se acude a la imagen de una línea telegráfica. A través del canal el emisor envía secuencias de señales (la noticia) tomadas de una reserva preexistente (el “alfabeto”).

          Previamente, emisor y receptor se han puesto de acuerdo sobre el significado de las señales. La llegada de la información coloca al receptor en condiciones de poder elegir una sola entre una serie de posibilidades. Cuanto mayor sea el número de posibilidades distinguibles, mayor será la información incluida en la noticia.

          Y aquí empieza el tema de la atención, pero de esto hablaremos en otra ocasión.