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23 de Octubre de 2020
Neurociencia

Descifrar el código neuronal con olores simulados

Los investigadores han evocado olores directamente en el cerebro de ratón mediante luz, sin intervención de la nariz.

El estudio ahonda en el conocimiento de los mecanismos cerebrales implicados en codificar una experiencia concreta. [iStock/Ryzhi]

En el comienzo de la película Matrix, columnas de extraños caracteres descienden por una antigua pantalla monocroma. Representan el código secreto de la experiencia desvelado, recordándonos que cada sabor, olor y color que percibimos es, en cierto modo, un engaño: una historia computada bit a bit en un cerebro que opera en la silenciosa oscuridad del cráneo. No precisamos un equipo especial para entrar en Matrix. Tan solo tenemos que entender el que se nos ha dado: el cerebro.

El motivo de que no podamos adaptar la experiencia a nuestro gusto, a la manera de Matrix, es que en realidad no comprendemos el código neuronal. Aquí no contamos con un Alan Turing que analice un patrón arbitrario de actividad cerebral y diga: «En este momento se está experimentando la imagen de un gato beige». Se sabe que los contenidos específicos de una experiencia sensorial guardan relación con los patrones temporal o espacial, o ambos, de la actividad cerebral. Pero a la hora de poner a prueba el concepto, incluso con los interrogantes más básicos sobre su mecanismo, nuestra ignorancia resulta patente. Si un par de células cerebrales se hubieran activado medio segundo antes, ¿seguiría viéndose el gato beige? ¿Y si otras tres se activaran en rápida sucesión? Todo lo que neurocientíficos podían ofrecer como respuesta es encogerse de hombros y algún planteamiento genérico sobre códigos, patrones y la probable importancia del tiempo. Pero Dmitry Rinberg, de la Universidad de Nueva York, y su grupo de investigación tal vez acaban de descubrir una respuesta parcial.

En un apasionante artículo recién publicado, los investigadores se sirvieron de puntos de luz controlados con precisión para insertar directamente un olor simulado en los centros olfativos del encéfalo de ratón, sin intervención alguna de la nariz. Más aún, modificaron sistemáticamente el patrón y examinaron cómo variaba la experiencia del animal. El estudio es uno de los trabajos más audaces y metódicos de «pirateo de la experiencia» nunca realizados.

Implantar una percepción específica, reproducible, fácil de regular y completamente sintética no es tarea sencilla. Para lograrlo, Rinberg y su equipo utilizaron ratones modificados genéticamente en cuyas neuronas olfativas se había introducido una proteína denominada canalrodopsina fotosensible. Cuando la luz incide sobre una de estas células modificadas, provoca actividad neuronal (los breves impulsos eléctricos que constituyen el lenguaje básico del sistema nervioso) cuyo desarrollo temporal es posible controlar con suma precisión. Puesto que la zona encefálica encargada de procesar la información sensorial procedente de la nariz se encuentra por fortuna cerca de la superficie del cráneo, los científicos pudieron introducir un olor artificial diseñado por ellos, sin necesidad del apéndice nasal. Mediante la estimulación directa del centro olfativo, el equipo controlaba por completo qué células concretas se activaban, su disposición y el momento de activación. Habían creado olores para que fueran percibidos al pulsar un simple interruptor de la luz.

La mayoría de los aromas naturales provocan una actividad generalizada y temporalmente compleja en el cerebro. Sin embargo, con el objetivo de explorar y descifrar el código neuronal, los investigadores optaron por un patrón modesto y manejable de seis pequeños puntos, distribuidos al azar y estimulados sucesivamente: una melodía neuronal de seis notas con una duración aproximada de un tercio de segundo. Aunque los ratones nunca podrán contárnoslo, es de suponer que este patrón de «notas» les olía a algo, ya que lo distinguieron de otros olores y de otros patrones de seis notas en las pruebas de comportamiento.

En la parte clave del experimento, los ratones jugaron a «detectar la diferencia». Primero se les entrenó para que respondieran con la conducta de lameteo tan solo a la pauta original de seis notas y, a continuación, se midió la persistencia de ese comportamiento tras las variaciones del patrón, determinando la medida en que se les engañaba con el cambio. Si detectaban con facilidad y precisión una cierta modificación, por ejemplo, la omisión de la primera nota del conjunto, quedaba comprobada la importancia de esa nota para la experiencia. En cambio, el que no apreciaran la sustitución de la sexta nota neuronal por otra, era un signo de su escaso efecto en la experiencia. Igual que en los estudios previos, realizados en gran parte por el grupo de Rinberg, las primeras notas neuronales tendían a poseer mayor valor informativo y transcendencia para la percepción que las posteriores. Se descubrió que, de manera más general, el momento preciso de la actividad neuronal es una variable clave en la codificación de los olores, lo que contradecía ciertos modelos influyentes que sostenían que el cerebro pasa por alto las diferencias temporales a muy pequeña escala. Según parece, el órgano aprecia la disposición de sus notas en patrones melódicos, y no solo las escucha como acordes simultáneos.

Las ideas sobre la codificación neuronal surgieron en un principio del estudio de los sistemas de comunicación y de la informática, por lo que solían ser bastante abstractas y estructuradas alrededor de «puertas», «nodos» y «canales» idealizados. Aunque no faltan propuestas teóricas de alto nivel sobre el almacenamiento, la representación y las rutas de transmisión de la información en el cerebro, son difíciles de poner a prueba con seres de carne y hueso y en el campo del comportamiento. En esta situación, los paradigmas teóricos a menudo se sustentan en datos probatorios que, pese a su gran interés y tentadora analogía con los procesos observados en el ámbito de la informática, son indirectos y correlativos. La belleza del modelo de Rinberg es la facilidad con que hace comprobable lo abstracto (cuanto menos, en lo que a la codificación olfativa se refiere).

Como ejemplo de dicha comprobación, tomemos la propuesta teórica de la representación del «código de barras», en la que hasta la mínima modificación de un patrón de actividad neuronal —una sola célula que no se activa, pongamos por caso— da lugar a una experiencia sensorial absolutamente diferente. Si el encéfalo empleara en realidad este hipotético esquema de codificación meticuloso en extremo, una ligera variación de la pauta de seis notas original sería tan perceptible como un patrón totalmente nuevo. De hecho, los investigadores hallaron casi lo contrario. Igual que bajar una nota a bemol no vuelve irreconocible una melodía, una pequeña alteración de una nota de la «melodía» olfativa original solo modificó ligeramente la experiencia del ratón. Conviene destacar que, a medida que se añadieron de manera deliberada más «notas incorrectas», el efecto sobre la experiencia fue meramente aditivo (por lo menos, en su evaluación por la capacidad del animal para distinguir los olores). Quizás lo más impresionante de todo es que el equipo incorporó esta observación sobre la linealidad del código a un modelo estadístico que predijo con exactitud el comportamiento del ratón en respuesta a cualquier codificación arbitraria del patrón de seis notas.

El artículo ofrece una mirada con un grado de detalle sin precedentes a lo que, en el cerebro, hace que una experiencia dada sea precisamente esa experiencia. La respuesta, por lo menos en lo que se refiere al olfato, tiene algo de humanista: una experiencia es una cuestión de tiempo y la suma de muchos pequeños detalles. Aún no está claro hasta qué punto se pueden generalizar estos resultados más allá del olfato o del conjunto de los sentidos. Las diferentes áreas encefálicas tienen distintos objetivos y límites computacionales, por lo que tal vez sea más preciso hablar de los diversos códigos del órgano que de uno solo que sirva para todo. Por otro lado, aún ignoramos casi por completo cómo estimularlo para que genere una experiencia perceptiva compleja elegida de antemano. Con gran perspicacia, el trabajo de Rinberg y su grupo solo planteó cómo olían las cosas en relación con un patrón inicial. Por ahora, Matrix está todavía muy lejos. Pero si en un futuro lejano lográramos simulaciones totales de tipo Matrix, este estudio habría sido un importante hito inicial.

Jason Castro

Referencia: «Manipulating synthetic optogenetic odors reveals the coding logic of olfactory perception», de E. Chong et al., en Science368 (6497): eaba2357. Publicado el 19 de junio de 2020.

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