Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Michigan ha descubierto una red neuronal que permite a las moscas de la fruta Drosophila melanogaster convertir estímulos externos de distinta intensidad en una decisión de «sí o no» sobre cuándo actuar. La investigación, descrita en Current Biology, ayuda a descifrar el mecanismo biológico que utiliza el sistema nervioso de la mosca de la fruta para convertir un gradiente de información sensorial en una respuesta de comportamiento binaria. Los hallazgos ofrecen nuevos conocimientos que pueden ser relevantes para el funcionamiento de tales decisiones en otras especies, y posiblemente incluso podrían aplicarse para ayudar a las máquinas de inteligencia artificial a aprender a categorizar la información.
El autor principal del estudio, el doctor Bing Ye, miembro de la facultad del Instituto de Ciencias de la Vida (LSI) de la Universidad de Michigan, cree que el mecanismo descubierto podría tener aplicaciones de gran alcance. «En nuestro campo predomina la idea de que estas decisiones se toman por acumulación de pruebas, lo que lleva tiempo», dijo Ye. «En el mecanismo biológico que hemos encontrado, la red está conectada de forma que no necesita una fase de acumulación de pruebas. Todavía no lo sabemos, pero nos preguntamos si esto podría servir como modelo para ayudar a la IA a aprender a clasificar la información con mayor rapidez».
Ye y sus colegas describen su investigación en un artículo titulado «A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy» (Una base neuronal para categorizar los estímulos sensoriales para mejorar la precisión de las decisiones).
Imagínese trabajando cerca de una ventana abierta. Si el ruido exterior es bajo, puede ser apenas perceptible. Pero a medida que el nivel de ruido aumenta gradualmente, empieza a ser más perceptible y, finalmente, el cerebro toma la decisión de levantarse y cerrar la ventana. Entonces, ¿cómo traduce el sistema nervioso ese aumento gradual y lineal de la intensidad en una decisión binaria de comportamiento «sí/no»? «Mientras que los estímulos sensoriales suelen estar presentes en rangos de intensidad amplios y graduados, las decisiones de los animales sobre la respuesta a los estímulos suelen ser binarias», señalan los autores. «Una cuestión fundamental en neurociencia es cómo se producen esas conversiones de gradiente a binario en la toma de decisiones perceptivas en el sistema nervioso central (SNC)». Como señaló el neurocientífico Ye, «es una pregunta realmente importante. Entre la entrada sensorial y la salida del comportamiento hay un poco de ‘caja negra’. Con este estudio, queríamos abrir esa caja»
Las imágenes cerebrales en humanos u otros mamíferos pueden identificar ciertas regiones del cerebro que responden a determinados estímulos. Pero el gran tamaño del sistema nervioso central de los mamíferos puede ser un inconveniente. «Aunque la toma de decisiones perceptivas se ha estudiado principalmente en mamíferos, el gran tamaño del SNC de los mamíferos limita la resolución espaciotemporal a la hora de evaluar las actividades emergentes en todo el SNC», señalan los autores. Para determinar cómo y cuándo las neuronas transforman la información lineal en una decisión no lineal, necesitaban un análisis mucho más profundo y cuantitativo del sistema nervioso, dijo Ye.
El equipo decidió trabajar con el organismo modelo Drosophila, para el que las herramientas genéticas disponibles permiten identificar las neuronas individuales que responden a los estímulos. Mediante una técnica de obtención de imágenes que detecta la actividad neuronal a través de la señalización de calcio entre neuronas, los científicos pudieron producir imágenes de neuroactividad en 3D de todo el sistema nervioso central de las moscas. «… el pequeño tamaño del SNC de las larvas de Drosophila, combinado con los recientes avances en los indicadores de calcio codificados genéticamente (GECI), permite obtener imágenes funcionales de todo el SNC de las larvas con una resolución subcelular y de subsegundos, lo que convierte a las larvas de Drosophila en un modelo ideal para evaluar la actividad neuronal de todo el SNC en la toma de decisiones perceptivas», declararon los investigadores.
«Lo que vimos fue que, cuando estimulamos las neuronas sensoriales que detectan los estímulos nocivos, bastantes regiones del cerebro se iluminan en cuestión de segundos», dijo el doctor Yujia Hu, investigador del LSI y uno de los autores principales del estudio. «Pero estas regiones cerebrales desempeñan funciones diferentes. Algunas procesan inmediatamente la información sensorial, otras desencadenan la salida del comportamiento, pero otras se dedican más a este proceso de transformación que se produce entre medias».
Los estudios demostraron que cuando las neuronas sensoriales detectan los estímulos externos nocivos, envían información a las neuronas de segundo orden del sistema nervioso central. Se descubrió que una región del sistema nervioso en particular, denominada núcleo medial posterior, respondía a la información sensorial silenciando las señales menos intensas o amplificando las más intensas, clasificando efectivamente un gradiente de entradas sensoriales en categorías de «responder» o «no responder».
Las señales se amplifican así a través de un mayor reclutamiento de neuronas de segundo orden en la red neuronal, lo que los investigadores denominan amplificación escalada. Un estímulo leve puede activar dos neuronas de segundo orden, por ejemplo, mientras que un estímulo más intenso puede activar 10 neuronas de segundo orden en la red. Esta red más amplia puede entonces provocar una respuesta conductual.
Pero para tomar una decisión de «sí/no», el sistema nervioso necesita una forma no sólo de amplificar la información (para una respuesta «sí»), sino también de suprimir la información innecesaria o menos perjudicial (para una respuesta «no»). «Nuestro sistema sensorial detecta y nos dice mucho más de lo que creemos», afirma Ye, que también es profesor de biología celular y del desarrollo en la Facultad de Medicina de la UM. «Necesitamos una forma de acallar esa información, o simplemente tendríamos constantemente una amplificación exponencial».
Usando las imágenes en 3D, los investigadores descubrieron que las neuronas sensoriales realmente detectan los estímulos menos dañinos, pero esa información es filtrada por el núcleo medial posterior, a través de la liberación de una sustancia química que reprime la comunicación entre neuronas. En efecto, la red neuronal suprime las señales neuronales causadas por los estímulos nocivos «más débiles», y amplifica las causadas por los estímulos intensos. «… permitiendo a los animales ignorar los estímulos débiles y escapar sólo de los daños reales.»
Este mecanismo mejora efectivamente la precisión en las decisiones de los animales sobre si escapar o no de los estímulos nocivos. «En este estudio, identificamos una red neuronal que categoriza los estímulos nocivos de intensidades graduadas para generar decisiones de escape binarias en larvas de Drosophila, y desentrañamos un mecanismo de amplificación gated que subyace a dicha categorización binaria», concluyen los autores. «Al responder a los estímulos nocivos, mientras que el fracaso en las respuestas rápidas puede causar daños, las respuestas de escape excesivas a estímulos insignificantes conducirían a la pérdida de recursos para la supervivencia. El mecanismo de amplificación por compuertas podría reducir las respuestas a los estímulos insignificantes, mientras que potenciaría las respuestas a los estímulos intensos. De este modo, se mejora la precisión a la hora de decidir si se escapa de los estímulos»
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