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El cerebro desde la percepción

La asociación, principio operativo del sistema nervioso.

Brains as engines of association
An operating principle for nervous system
Por Dale Purves
Oxford University Press, 2019


El reto principal que tiene planteado la neurociencia hoy estriba en descifrar el principio operativo del cerebro y del resto del sistema nervioso. Y hacerlo de la misma forma que los biólogos han desentrañado las funciones de otros órganos y sistemas de órganos, como el cardiovascular o el digestivo, propósito que hasta ahora se muestra inalcanzable. De un modo o de otro, cada órgano nos revela con claridad su principio de operación (por ejemplo, sabemos que el sistema respiratorio oxigena la sangre y que el sistema digestivo infunde la sangre con nutrientes). No ocurre igual con el sistema nervioso, a pesar de la imponente documentación neurobiológica que hemos ido acopiando a lo largo de más de un siglo.

Para justificar ese vacío se ha esgrimido que la comprensión de la función cerebral requerirá enfoques que no se han necesitado en la determinación de los principios operativos de otros órganos. Lo que vendría a reconocer la insuficiencia del conocimiento anatómico y fisiológico para comprender el cerebro humano, del que se ha dicho que es el objeto más complejo del universo conocido. Para su rescate se ha invocado la ayuda de ciencias de la computación, matemática, estadística, teoría de redes, teoría de juegos, teoría de grafos, cibernética, ingeniería de sistemas, psicología cognitiva, física, física cuántica, filosofía y aprovechamiento de los grandes datos. Este último se sustancia en la conectómica, cuya base reside en la idea de que, si todo lo demás, falla, la indicación de la conectividad de los 86.000 millones de neuronas que hay en el cerebro humano debería aportar las respuestas solicitadas. Algunos van incluso más lejos y barruntan que la comprensión del encéfalo podría necesitar principios científicos no identificados todavía, o que la función cerebral resulta tan abstrusa, que su operación no llegará nunca a conocerse.

Hay quien ha optado por recurrir a la simulación mediante modelos in vivo. Se ha propuesto abordar el estudio del cerebro mediante «minicerebros», amasijos de células cerebrales intricadamente estructurados in vitro. Ese minicerebro u organoide cerebral forma tejidos tridimensionales complejos creados a partir de células madre que están revolucionando la forma en que los científicos investigan el desarrollo neural y determinados trastornos o enfermedades (como el autismo o el zika). La comparación genética entre células procedentes de cerebros reales y células de organoides demuestra, sin embargo, la existencia de importantes diferencias. Cuando se trata de categorías muy amplias de células cerebrales (por ejemplo, neuronas y glía), la comparación es aceptable, pero cuando se trata de subtipos más precisos de células, así la glía radial, las comparaciones fracasan. Las células de los organoides no maduraban o no expresaban las combinaciones específicas de genes que distinguen un subtipo de otro.

Sostiene el autor, Dale Purves, catedrático de neurobiología de la Universidad de Duke, que la función del sistema nervioso consiste en crear, mantener y modificar asociaciones neurales que propicien, en última instancia, la supervivencia y reproducción en un mundo que los sistemas sensoriales no pueden aprehender. En ese encuadramiento, los humanos y otros animales pueden vincular el dominio subjetivo de percepción y demás fenómenos sensoriales a una conducta exitosa sin necesidad de recuperar las propiedades del mundo. Los organismos dotados de sistema nervioso pueden hacer frente a los desafíos que el entorno les va planteando porque pueden establecer asociaciones complejas entre informaciones entrantes (inputs) y salientes (outputs). En el desarrollo de su tesis, Purves se muestra claro y brillante, con algún resbalón cuando sale del marco escuetamente neurocientífico. (Por ejemplo, al resumir la historia del vitalismo, sitúa a Friedrich Nietzsche en el siglo xviii, pero el filósofo vivió entre 1844 y 1900, es decir, la segunda mitad de la centuria siguiente.)

El cerebro es el órgano más complejo del cuerpo humano y, las neuronas, sus unidades principales de señalización. Estas se comunican unas con otras a través de sinapsis. Se dividen en dos subclases principales: interneuronas (interconexiones locales entre neuronas) y neu­ronas de proyección. Las células no neuronales sirven de sostén y fomento de las funciones propias de las neuronas. Distinguimos las endoteliales, que tapizan los vasos sanguíneos; las ependimales, que recubren las paredes ventriculares, y las gliales. Las células de la glía se clasifican en oligodendrocitos, que aceleran la conducción de las señales; microglía, que son macrófagos celulares de origen hematopoyético, y astrocitos, encargados de la barrera hematoencefálica, de la homeostasis, del crecimiento neuronal y de la renovación de los neurotransmisores.

Consta, el cerebro, de una red de neuronas, interconectadas y organizadas en regiones, subregiones, núcleos y capas. Las regiones están separadas anatómica y funcionalmente. Recordémoslo a grandes rasgos. El bulbo olfativo recibe información entrante de las neuronas olfativas y se proyecta hacia el núcleo olfativo, la corteza piriforme y la amígdala. En la corteza hallamos neuronas de proyección excitadoras e interneuronas inhibidoras; procesa y filtra la información sensorial, que remite a las neuronas motoras de la espina dorsal. La formación hipocámpica se asocia al aprendizaje y la memoria. Los principales tipos celulares son neuronas de proyección piramidales, células granulares e interneuronas. La amígdala, alojada en las profundidades del lóbulo temporal, se asocia con las emociones (miedo, por ejemplo) y con el aprendizaje emocional. Los ganglios basales integran un conjunto de núcleos subcorticales (estriado, globo pálido, sustancia negra) que se encuentran implicados en el control del movimiento, el aprendizaje, la adicción y la recompensa. El hipotálamo, que coordina las comunicaciones bidireccionales entre el cerebro y el resto del cuerpo, cumple una función reguladora de la secreción de hormonas de la pituitaria, la ingesta alimentaria, la temperatura y los ritmos circadianos. Asimismo, ejerce una función registradora de las hormonas transportadas por la sangre. El tálamo procesa la información sensorial y motora destinada a la corteza y desempeña un papel decisivo en el sueño y la consciencia.

Para aproximarnos a su estructura y operación disponemos de varios medios. La microscopía electrónica nos presenta, con un detalle muy fino, las conexiones neurales, tridimensionales, del cerebro. Las técnicas de obtención de imágenes de alta resolución (como la resonancia magnética funcional) permiten conocer qué partes del cerebro entran en acción cuando acometemos unas tareas u otras (cuando recuperamos un recuerdo doloroso o participamos en un deporte). La microscopía de superresolución trasciende el nivel celular, de manera que nos revela procesos subcelulares y descubre las causas de enfermedades neurodegenerativas.

Brains as engines of association aborda una cuestión básica en neurociencia: ¿cuál es el principio de operación del cerebro humano? Purves, apoyándose en datos recabados de la vista, oído, lengua y música, llega a la conclusión de que el cerebro opera por ensayo y error, una experiencia codificada en la circuitería neural de la biografía del individuo y del curso de la evolución. Esa idea de la función neural labora contra la concepción común actual, reforzada por la introducción de los métodos de computación, que defiende que solo podremos conocer la función cerebral mediante la reconstrucción de la conectividad en su integridad. Frente a los modelos de redes neurales artificiales, el autor contrapone la eficacia biológica, que se basa en la experiencia de ensayo y error. Porque el cerebro puede estudiarse desde diversas ópticas, desde una perspectiva genética o bioquímica hasta la investigación sobre el comportamiento humano, el cual tiene en ese órgano su radical explicación.

El avance que se ha registrado en el dominio de la anatomía del sistema nervioso se ha conjugado con una comprensión más profunda de los componentes moleculares de las neuronas y la glía, los cuales nos han revelado sus funciones individuales en un nivel de detalle impresionante y nos permiten entender la organización de las células nerviosas en circuitos y sistemas neurales que procesan tipos de información específicos procedentes de los estímulos sensoriales. Queda, cierto, mucho por conocer. En particular, identificar los fenómenos genéticos subyacentes a las funciones de células, circuitos y sistemas. Explicar cómo su alteración desencadena los trastornos neurológicos y psiquiátricos, así como desentrañar las funciones cerebrales complejas que nos definen como humanos.

A lo largo de los últimos veinte años, Purves ha desarrollado una teoría de la percepción, que ha bautizado como «estrategia plenamente empírica», lanzada en 2001 en un artículo publicado en Philosophical Transactions, de la Real Sociedad de Londres. Una teoría empírica de la percepción es un tipo de explicación sobre la emergencia de los perceptos. De acuerdo con la misma, los sistemas sensoriales incorporan información sobre las propiedades estadísticas del mundo natural en su diseño y ponen en relación los estímulos aferentes con esa información, más que analizar la estimulación sensorial en sus componentes o características. Los perceptos estarían determinados por la experiencia evolutiva de la especie e individual. La forma en que vemos el brillo, el color, la orientación y el movimiento puede entenderse en términos escuetamente empíricos. Los perceptos visuales se basan en pautas de la actividad neural refleja conformada por el éxito, o fracaso, en el pasado de una conducta guiada en respuesta al estímulo retiniano o similar. Para ventaja del observador, los perceptos covarían con la eficacia de acciones del pasado en respuesta a estímulos visuales.

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