Descubren la dinámica de toma de decisiones en todo el cerebro

Un equipo de neurocientíficos ha revelado cómo la información sensorial se transforma en acción motora en múltiples regiones cerebrales en ratones.

La investigación, realizada en el Sainsbury Wellcome Centre (SWC) de Reino Unido, muestra que la toma de decisiones es un proceso global en todo el cerebro que está coordinado por el aprendizaje. Los hallazgos, publicados en la revista científica Nature, podrían ayudar a la investigación sobre inteligencia artificial al proporcionar información sobre cómo diseñar redes neuronales más distribuidas.

“Este trabajo unifica conceptos descritos previamente para áreas cerebrales individuales en una visión coherente que se corresponde con la dinámica neuronal de todo el cerebro. Ahora tenemos una imagen completa de lo que sucede en el cerebro cuando la información sensorial se transforma a través de un proceso de decisión en una acción”, ha explicado el profesor Tom Mrsic-Flogel, director del Sainsbury Wellcome Centre y autor del artículo.

Así fue el estudio

El estudio describe cómo los investigadores utilizaron las sondas Neuropixels, una tecnología de última generación que permite registros simultáneos en cientos de neuronas en múltiples regiones cerebrales, para estudiar ratones que participaban en una toma de decisiones. La tarea, desarrollada por la doctora Ivana Orsolic en SWC, permitió al equipo distinguir entre el procesamiento sensorial y el control motor. Los investigadores también revelaron la contribución del aprendizaje al estudiar animales entrenados en la tarea y compararlos con animales ingenuos.

“A menudo tomamos decisiones basándonos en evidencias ambiguas. Por ejemplo, cuando empieza a llover, hay que decidir con qué frecuencia deben caer las gotas de lluvia antes de abrir el paraguas. Estudiamos esta misma integración de evidencias ambiguas en ratones para entender cómo procesa el cerebro las decisiones perceptivas”, ha manifestado el doctor Michael Lohse, becario postdoctoral Sir Henry Wellcome en SWC y coautor del artículo.

Los investigadores entrenaron a ratones para que permanecieran quietos mientras observaban un patrón visual que se movía en una pantalla. Para recibir una recompensa, tenían que lamer un pico cuando detectaban un aumento sostenido en la velocidad de movimiento del patrón visual. La tarea estaba diseñada de modo que la velocidad del movimiento nunca fuera constante, sino que fluctuara continuamente. El momento del aumento de la velocidad media también cambiaba de una prueba a otra, de modo que los roedores no pudieran recordar simplemente cuándo se producía el aumento sostenido. Por tanto, tenían que prestar atención constantemente al estímulo e integrar la información para determinar si se había producido el aumento de la velocidad.

“Al entrenar a los ratones para que se quedaran quietos, el análisis de datos que pudimos realizar fue mucho más claro y la tarea nos permitió observar cómo las neuronas rastrean fluctuaciones aleatorias en la velocidad antes de que los ratones realizaran una acción. En los ratones entrenados, descubrimos que no hay una sola región cerebral que integre la evidencia sensorial u organice el proceso. En cambio, encontramos neuronas que están distribuidas de manera dispersa pero amplia por todo el cerebro y vinculan la evidencia sensorial con el inicio de la acción”, ha comentado Andrei Khilkevich, investigador principal en el laboratorio Mrsic-Flogel y coautor del artículo.

El equipo de neurocientíficos grabó a cada ratón varias veces y recopiló datos de más de 15.000 células en 52 regiones cerebrales de 15 ratones entrenados. Para observar el aprendizaje, también comparó los resultados con grabaciones de roedores no entrenados. “Hemos descubierto que cuando los ratones no saben lo que significa el estímulo visual, sólo representan la información en el sistema visual del cerebro y en algunas regiones del mesencéfalo (porción superior del tronco del encéfalo). Una vez que han aprendido la tarea, las células integran la evidencia en todo el cerebro”, ha explicado el doctor Lohse.

Trabajos futuros

En este estudio, el equipo sólo se centró en animales ingenuos y en aquellos que habían aprendido completamente la tarea, pero en trabajos futuros esperan descubrir cómo se produce el proceso de aprendizaje mediante el seguimiento de las neuronas a lo largo del tiempo para ver cómo cambian a medida que los ratones comienzan a comprender la tarea. Los investigadores también buscan explorar si áreas específicas del cerebro actúan como centros causales para establecer estos vínculos entre sensaciones y acciones.

El estudio también plantea otras preguntas, como la forma en que el cerebro incorpora una expectativa de cuándo aumentará la velocidad del patrón visual, de modo que los animales solo reaccionen al estímulo cuando la información sea relevante. El equipo planea estudiar estas cuestiones más a fondo utilizando el conjunto de datos que ha recopilado.

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