Una máquina de formular previsiones

Investigadores de Brasil y de Estados Unidos investigan cómo percibe el tiempo y se vale de esa información para planificar acciones el cerebro humano

Por Karina Toledo, desde Río de Janeiro

Agência FAPESP – Una conversación, tocar instrumentos, jugar videojuegos, conducir vehículos, practicar deportes o cualquier otra acción que requiera anticipación y planificación resultaría imposible de realizarse sin la habilidad del cerebro humano para medir el tiempo.

El objetivo de una investigación que cuenta con el apoyo de la FAPESP y la coordinación de André Mascioli Cravo –docente del Centro de Matemática, Computación y Cognición (CMCC) de la Universidad Federal del ABC (UFABC) y uno de los coordinadores del Laboratorio de Timing y Cognición, en São Paulo, Brasil– consiste en entender cómo transcurre este procesamiento temporal.

Resultados parciales de este estudio se presentaron durante la novena edición del Congreso Mundial sobre el Cerebro (IBRO 2015), realizado en Río de Janeiro en julio pasado.

“Nuestro cerebro utiliza información temporal de manera muy automática para planificar acciones. Es como una máquina de prever. Por ejemplo, cuando apretamos el botón de nuestra computadora, sabemos cuánto tiempo ésta tarda para encenderse. En caso de que demore más que un determinado lapso de tiempo, empezamos a sospechar que algo anda mal. O el aparato se descompuso o no hay luz. Cuando compramos una computadora nueva, ese intervalo es distinto y nos adaptamos muy rápidamente. Nuestro interés consiste en entender cómo aprende el cerebro esa relación temporal y la utiliza en acciones futuras”, explicó Cravo en entrevista con Agência FAPESP.

Para develar los mecanismos neurales implicados en este proceso, Cravo y sus colaboradores de la UFABC registran la actividad eléctrica de la corteza de voluntarios sanos con un aparato de electroencefalografía (EEG), mientras participan en un juego de tiro al blanco en la computadora.

El blanco aparece y desaparece de la pantalla en un determinado lapso de tiempo, y el voluntario debe apretar un botón para disparar e intentar acertarle. Cuando se está cumpliendo la tarea con excelencia, el intervalo entre la acción de apretar el botón y el disparo del tiro aumenta.

“La primera vez que esto sucede, obviamente, el voluntario marra el tiro. Pero, para nuestra sorpresa, una sola tentativa frustrada es suficiente para que el cerebro aprenda la nueva relación temporal y corrija la acción motora”, comentó Cravo.

Según el investigador, el mecanismo empleado para codificar el error y adaptar el comportamiento parece basarse en las distintas fases de las oscilaciones cerebrales. “Esas oscilaciones reflejan la excitabilidad de poblaciones neurales. Es una medida indirecta de cuán preparado está un determinado grupo de neuronas para procesar nuevos estímulos”, explicó.

En la literatura científica, las oscilaciones cerebrales han sido relacionadas con diversas funciones cognitivas, tales como la atención, la memoria y la toma de decisiones. Una de las teorías postula que el cerebro se basaría en esas oscilaciones para prever cuándo va a suceder algo.

“Estudios han mostrado que si uno sabe cuándo va a ocurrir algo, esas oscilaciones parecen constituir un buen mecanismo para preparar una región de nuestro cerebro para procesar la información que va a llegar. Parece que ese mismo mecanismo está implicado en el caso de la información temporal”, dijo Cravo.

Según el investigador, la señal registrada por el aparato de EEG representa la suma de las ondas cerebrales de la corteza en sus distintas amplitudes, fases y ritmos. En el experimento, el grupo se enfocó en las llamadas oscilaciones Delta, que tienen frecuencias de entre 1 y 4 hercios (Hz).

“Estudios anteriores demostraron que las oscilaciones delta y theta (de 4 a 8 Hz) parecen cumplir un papel fundamental en el control de la excitabilidad cortical. Asimismo, nuestra tarea implicaba una dinámica temporal que producía un ritmo inherente de 1 Hz, y por esos esas oscilaciones endógenas delta podrían sincronizarse al ritmo de la tarea, para mejorar el desempeño del participante”, explicó Cravo.

Los resultados del experimento demostraron que el saber la fase de la oscilación delta en el momento en que se le presenta el blanco al voluntario les permitió a los investigadores prever qué haría el participante en la próxima presentación.

“Quedó claro en nuestros estudios que cuanto mayor era el error temporal que cometía el participante, más ajustaba éste la acción en la siguiente presentación del blanco. Sin embargo, nuestra única manera de medir este error consistía en observar cuán atrasado se había presentado el blanco. Entonces decidimos verificar si una información neural, en este caso, la fase de las oscilaciones delta al momento en que se presentaba el blanco, nos ayudaría a prever qué haría el participante al momento de la próxima presentación. Era como si estuviésemos midiendo no sólo el error en sí mismo, sino también la expectativa que el participante tenía de cuándo se le presentaría el blanco”, comentó Cravo.

Este resultado, dijo el investigador, sugiere que al hacer una previsión nos preparamos apuntando no sólo hacia “qué” va a suceder, sino también hacia “cuándo” algo va a suceder.

“Esas oscilaciones parecen ser fundamentales para la codificación de esa previsión temporal, y hacen que áreas vinculadas con la tarea que se ejecutará se encuentren preparadas en el momento justo”, explicó Cravo.

Relojes cerebrales

¿El cerebro humano estaría utilizando oscilaciones eléctricas para marcar el tiempo, así como un reloj construido por el hombre se vale de las oscilaciones de un péndulo o de un cristal de cuarzo?

El investigador Dean Buonomano, del Departamento de Neurobiología y Psicología de la University of California en Los Angeles (UCLA), Estados Unidos, cree que no.

“Las oscilaciones constituyen una manera poderosa de marcar el tiempo; pero, para ello, es necesario contar la cantidad de oscilaciones, y el cerebro humano no es bueno para hacer eso”, dijo Buonomano, quien estuvo en Brasil para participar en el IBRO 2015 mediante el apoyo de la FAPESP.

A juicio del norteamericano, el mecanismo que emplea el cerebro para marcar el tiempo estaría basado en la dinámica de las neuronas. Según Buonomano, existen neuronas excitatorias e inhibitorias con influjo sobre las neuronas vecinas, que crean patrones de actividad que evolucionan en el tiempo, en un proceso dinámico bastante complejo.

“Una analogía posible sería la de un auditorio repleto de persona de pie. Si yo empujase a las personas de la primera hilera, cada una empujaría un poco a la persona vecina y eso crearía un patrón de movimiento que evoluciona en el tiempo. Si analizamos ese movimiento con una película, podríamos marcar el paso del tiempo con base en la posición de las personas. Si sacásemos varias fotos de ese proceso y mezclásemos las imágenes, podríamos después ponerlas todas en orden porque entendimos la dinámica de ese sistema”, explicó Buonomano.

Antiguamente, comentó el investigador, se creía que existía una especie de reloj central en el cerebro, es decir, un determinado circuito neuronal responsable de la mayoría de las funciones temporales, tal como sucede en una computadora.

“Actualmente sabemos que no funciona así. El tiempo es un aspecto tan fundamental en nuestra interacción con el mundo que prácticamente todos los circuitos neuronales están implicados en ese procesamiento en algún nivel”, dijo el investigador en entrevista concedida a Agência FAPESP.

Cada circuito, de acuerdo con Buonomano, tendría una habilidad distinta para procesar el tiempo, que varía según el problema planteado.

“Por ejemplo, la corteza auditiva debe detectar y determinar la duración del sonido, de los intervalos y el ritmo para efectuar el procesamiento del habla y de la música. En tanto, la corteza motora necesita contar con funciones temporales que permitan controlar la acción de los músculos, y así sucesivamente. Cada una procesa de una manera”, dijo Buonomano.

La comprensión de cómo transcurre este procesamiento, argumentó el científico, resulta fundamental tanto para entender el cerebro como para descubrir las causas de los trastornos neurológicos que perjudican el aprendizaje, la memoria y la cognición.

El tiempo subjetivo

Cravo y Buonomano están poniendo en marcha ahora una colaboración cuyo objetivo consiste en comprender la impresión subjetiva del tiempo.

Aunque el cerebro sigue marcando el tiempo en forma objetiva, comentó Buonomano, el tiempo parece pasar más o menos deprisa, dependiendo de la actividad que estamos realizando.

“Estamos diseñando experimentos con el objetivo de mostrar que nuestra impresión subjetiva sobre el paso del tiempo está sujeta a muchas ilusiones. Como parecen existir diferentes relojes en nuestros cerebro, nuestra pregunta es la siguiente: ¿todos ellos están sujetos a la mismas ilusiones temporales?”, se cuestionó.