Ciencia

Cómo distingue el cerebro las sensaciones importantes de las no importantes

Imagina que estás tocando la guitarra. Está sentado, soportando el peso del instrumento sobre su regazo. Una mano rasguea; el otro presiona las cuerdas contra el mástil de la guitarra para tocar los acordes. Tu visión rastrea la partitura en una página y tu oído te permite escuchar el sonido. Además, otros dos sentidos hacen posible tocar este instrumento. Uno de ellos, tocar, te habla de tus interacciones con la guitarra. Otro, la propiocepción, le informa sobre las posiciones y los movimientos de sus brazos y manos mientras toca. Juntas, estas dos capacidades se combinan en lo que los científicos llaman somatosensación o percepción corporal.

Nuestra piel y músculos tienen millones de sensores que contribuyen a la somatosensación. Sin embargo, nuestro cerebro no se ve abrumado por el aluvión de estas entradas, o de cualquiera de nuestros otros sentidos, para el caso. No te distraes con el pellizco de tus zapatos o el tirón de la correa de la guitarra mientras tocas; te enfocas solo en las entradas sensoriales que importan. El cerebro mejora de manera experta algunas señales y filtra otras para que podamos ignorar las distracciones y concentrarnos en los detalles más importantes.

¿Cómo logra el cerebro estas proezas de concentración? En investigaciones recientes en la Universidad Northwestern, la Universidad de Chicago y el Instituto Salk de Estudios Biológicos en La Jolla, California, hemos encontrado una nueva respuesta a esta pregunta. A través de varios estudios, hemos descubierto que una estructura pequeña, en gran parte ignorada, en la parte inferior del tronco encefálico, juega un papel fundamental en la selección de señales sensoriales del cerebro. El área se llama núcleo cuneiforme o CN. Nuestra investigación sobre el CN ​​no solo cambia la comprensión científica del procesamiento sensorial, sino que también podría sentar las bases para intervenciones médicas para restaurar la sensibilidad en pacientes con lesiones o enfermedades.

Para comprender las novedades, debemos revisar algunos conceptos básicos sobre cómo funciona la somatosensación. Cada vez que nos movemos o tocamos algo, las células especializadas dentro de nuestra piel y músculos responden. Sus señales electroquímicas viajan a lo largo de las fibras nerviosas hasta la médula espinal y el cerebro. El cerebro usa estos mensajes para rastrear la postura y el movimiento del cuerpo y la ubicación, el tiempo y la fuerza con la que interactuamos con los objetos. Los experimentos han dejado claro que la experiencia consciente de nuestro cuerpo y sus interacciones con los objetos depende de que estas señales lleguen a la corteza cerebral, la capa más externa del cerebro. Los científicos han asumido durante mucho tiempo que esta área del cerebro era uno de los principales actores involucrados en mejorar o filtrar selectivamente las señales sensoriales. Creían que el CN, por otro lado, era simplemente una estación de retransmisión pasiva, que transportaba señales desde el cuerpo hasta la corteza.

Pero éramos escépticos. ¿Por qué existiría el CN ​​si no altera las señales de alguna manera? Decidimos observar las neuronas cuneiformes en acción para averiguarlo. Históricamente, el desafío ha sido que la CN es pequeña y de muy difícil acceso. Está ubicado en la unión altamente flexible de la cabeza y el cuello, lo que significa que el movimiento de un animal puede dificultar su alcance. Para empeorar las cosas, el núcleo cuneiforme está ubicado en el tronco encefálico, rodeado de regiones vitales del cerebro que, si se dañan, pueden causar la muerte.

Afortunadamente, las modernas herramientas neurocientíficas nos permiten observar el NC de forma estable en animales despiertos sin dañar las áreas cercanas. En monos, implantamos pequeños conjuntos de electrodos que usamos para monitorear neuronas individuales del núcleo cuneiforme. Por primera vez, pudimos estudiar cómo responden las células cerebrales individuales en esta área cuando un mono se mueve y toca cosas. Este método nos permitió responder varias preguntas sobre lo que hace el CN. Por un lado, estudiamos cómo estas neuronas responden a las señales táctiles al exponer la piel de los monos a muchos tipos de estímulos, incluidas vibraciones y patrones de puntos en relieve similares a braille. Luego comparamos las respuestas en el CN ​​con la actividad en las fibras nerviosas que alimentan esta estructura cerebral. Si el área simplemente transmitiera la información recopilada por las células sensoriales de la piel, la actividad neuronal en el CN ​​esencialmente haría eco de la actividad en las fibras nerviosas. En cambio, encontramos que las neuronas CN no simplemente transmiten sus entradas a lo largo pero transformarlos. De hecho, las neuronas cuneiformes mostraron patrones de actividad que eran más similares a los de las neuronas de la corteza cerebral del cerebro que a los patrones de las fibras nerviosas.

Pero la conexión entre CN y la corteza no es una calle de sentido único. Además de los nervios sensoriales que suben, existen vías desde las áreas sensoriales y motoras de la corteza cerebral que descienden hasta el núcleo cuneiforme. Nos preguntamos si el CN ​​contribuye a alguna forma de filtrado sensorial basado en los movimientos voluntarios planificados de un animal. Con ese fin, observamos la actividad de CN cuando los monos alcanzaban un objetivo y comparamos esas señales con las señales de CN generadas cuando un robot movía el brazo de los monos de manera similar. Descubrimos que la actividad en las neuronas cuneiformes de hecho cambió, dependiendo de lo que hacían los animales y de si los movimientos eran voluntarios o involuntarios. Como solo un ejemplo, sabemos que las señales de los músculos del brazo pueden ayudar a un animal a determinar que un movimiento va según lo planeado. De acuerdo con esta idea, descubrimos que muchas señales de los músculos del brazo se intensificaban en el CN ​​cuando un mono movía voluntariamente su brazo, en comparación con cuando el robot lo movía.

Estos estudios establecieron que el procesamiento de señales provenientes de nuestro cuerpo ya ha comenzado cuando las señales llegan al núcleo cuneiforme. Pero, ¿cuáles son las células cerebrales y las vías que permiten la mejora selectiva del CN ​​de las señales que importan y la supresión de las que no? En un tercer estudio, aprovechamos las técnicas genéticas y virales para sondear el sistema nervioso de los ratones. Con estas herramientas, podríamos manipular tipos específicos de células, encendiéndolas o apagándolas apuntándolas con un láser. Combinamos estas técnicas con tareas conductuales: al entrenar a los ratones para que tiraran de una cuerda o reaccionaran a varias texturas para obtener una recompensa, probamos cómo la activación o desactivación de neuronas específicas podría afectar la capacidad de un ratón para realizar tareas diestras. Este enfoque nos permitió explorar primero las funciones de las células dentro del NC, revelando un conjunto específico de neuronas que lo rodean que pueden suprimir o mejorar el paso de las señales táctiles cuando ingresan al cerebro. Luego aplicamos técnicas similares para examinar cómo otras regiones cerebrales superiores pueden influir en la actividad del CN. Descubrimos dos caminos diferentes desde la corteza hasta el CN ​​que gobierna la cantidad de información que permite pasar el cuneate. En otras palabras, el CN ​​no solo recibe información del cuerpo sino también orientación de la corteza para ayudar a determinar qué señales son más relevantes o importantes para un individuo en un momento dado.

Claramente, el núcleo cuneiforme es una región del cerebro mucho más interesante de lo que se cree. Nuestro trabajo ayuda a aclarar su función: resaltar ciertas señales y suprimir otras antes de transmitirlas a las regiones del cerebro responsables de la percepción, el control motor y las funciones cognitivas superiores. Ese papel importante puede ayudar a explicar por qué el CN ​​aparece en una amplia variedad de mamíferos, incluidos ratones y primates.

Aunque nuestro trabajo está lejos de terminar, nuestros resultados ya tienen implicaciones importantes para la rehabilitación. Más allá de las señales musculares y táctiles activas que pudimos estudiar, la evidencia sugiere que el NC recibe muchas más entradas «inactivas» que pueden ser importantes en la recuperación de una lesión neurológica. Millones de personas en todo el mundo sufren algún tipo de disfunción en las extremidades, como parálisis o pérdida de sensibilidad. Con una mejor comprensión de cómo las señales sensoriales y motoras respaldan el movimiento, los médicos eventualmente pueden mejorar el diagnóstico y el tratamiento de estas afecciones. Por ejemplo, los electrodos implantados podrían algún día activar eléctricamente el núcleo cuneiforme en personas que han perdido la sensibilidad en sus extremidades, restaurando potencialmente la capacidad de percibir su cuerpo.

¿Eres un científico especializado en neurociencia, ciencia cognitiva o psicología? ¿Y ha leído un artículo reciente revisado por pares sobre el que le gustaría escribir para Mind Matters? Envíe sus sugerencias a la editora de Mind Matters de Scientific American, Daisy Yuhas, a [email protected].

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