Una región cerebral largamente pasada por alto puede ser clave para el pensamiento complejo
El tálamo ha sido visto tradicionalmente como la estación de transmisión sensorial del cerebro. Pero también puede desempeñar un papel importante en la cognición de nivel superior, explica Michael Halassa de MIT en una sesión de preguntas y respuestas.
La capa externa ornamentada del cerebro humano, la corteza cerebral, ha recibido durante mucho tiempo casi todo el mérito de nuestra capacidad para realizar tareas cognitivas complejas, como componer una sonata, imaginar el argumento de una novela o reflexionar sobre nuestros propios pensamientos. Una explicación de cómo obtuvimos estas habilidades es que la corteza se expandió rápidamente en relación con el tamaño del cuerpo a medida que evolucionaban los primates: la corteza humana tiene 10 veces el área de superficie de la corteza de un mono, por ejemplo, y 1.000 veces la de un ratón.
Pero la corteza no es la única región del cerebro que se ha vuelto más grande y más compleja a lo largo de la evolución. Acurrucado debajo de la corteza, también ha crecido un par de estructuras en forma de huevo llamadas tálamo, y su cableado se volvió mucho más intrincado cuando los mamíferos se separaron de los reptiles. El tálamo, del griego tálmos o cámara interior, transmite el 98 por ciento de la información sensorial a la corteza, incluida la visión, el gusto, el tacto y el equilibrio; El único sentido que no pasa a través de esta región del cerebro es el olfato. El tálamo también conduce señales motoras y transmite información desde el tronco encefálico a la corteza, coordinando cambios en la conciencia, como despertarse y quedarse dormido.
Los científicos han sabido durante décadas que el tálamo transmite fielmente información sobre el mundo visual desde la retina hasta la corteza, lo que lleva a la impresión de que es en gran medida un mensajero de información sensorial en lugar de un centro de cognición compleja en sí. Pero esa visión limitada y pasiva del tálamo es obsoleta, sostiene Michael Halassa, neurocientífico del Instituto de Tecnología de Massachusetts que recientemente fue coautor (junto con Ralf D. Wimmer y Rajeev V. Rikhye) en un artículo en la Annual Review of Neuroscience que explora el papel del tálamo.
En los roedores, los humanos y otros mamíferos, dice Halassa, el tálamo es mucho más que un simple portero pasivo para la entrada sensorial. En cambio, desempeña un papel activo en la organización de la actividad cortical, y le dice a la corteza qué tareas debe realizar en diferentes contextos. Por ejemplo, dirige en fracciones de segundo la recalibración requerida cuando un estadounidense en Inglaterra debe decidir si mira a la derecha o a la izquierda antes de cruzar la calle donde los autos conducen en el lado "equivocado" de la calle. Esta capacidad de adaptar rápidamente el comportamiento a nuevas situaciones y contextos probablemente surgió de cambios en el cableado neuronal entre el tálamo y la corteza. Esos cambios también pueden ayudar a explicar por qué los humanos pueden actuar sobre representaciones internas del mundo exterior, como la memoria y la imaginación, dice Halassa.
La revista Knowable le pidió a Halassa que discutiera cómo el trabajo en su y otros laboratorios está cambiando la visión tradicional del tálamo. Esta conversación ha sido editada por su extensión y claridad.
¿Cómo te interesaste en estudiar el cerebro, y el tálamo en particular?
Viendo The Matrix. Pensé que la película era una de las demostraciones más increíbles de lo que significa tener una mente, especialmente una mente que está conectada a la realidad virtual. ¿Qué significa que posiblemente haya infinitas formas de ver e interpretar el mundo exterior? ¿Cómo puede el cerebro generar una mente? Estas son las preguntas de tipo que me llevaron a estudiar neurociencia.
Como estudiante graduado, me interesaba estudiar la conciencia y terminé estudiando los mecanismos básicos del sueño. Hay territorios especiales dentro del tálamo que son muy activos e interesantes durante el sueño, y ayudan a organizar grandes cambios en el estado del cerebro, como dormirse o despertarse. En mi postdoctorado, me centré en las interacciones entre el tálamo y la corteza, que es el tema actual de mi investigación.
¿Qué es el tálamo y cómo está conectado a la corteza?
El tálamo está formado por estructuras redondas, similares a huevos, debajo de la corteza, una a cada lado. En los mamíferos, está conectado a todas las áreas corticales, y existen dobles vías de neuronas que van desde la corteza al tálamo y desde el tálamo a la corteza. Si va a la parte posterior del cerebro, donde la corteza procesa la información visual, verá conexiones a la parte posterior del tálamo, que transmite señales visuales. La parte frontal de la corteza, donde se produce la cognición de nivel superior, también está conectada a la parte más anterior o frontal del tálamo.
El tálamo (rojo) ha sido considerado principalmente una estación de relevo para información sensorial, pero la creciente investigación sugiere que también aumenta la capacidad del cerebro para adaptarse a nuevos contextos, permitiendo el uso de la memoria y la imaginación al decidir cómo actuar.
CRÉDITO: NICOLLE R. FULLER / SAYOSTUDIO
¿Cómo ha evolucionado esta conexión con el tiempo?
En reptiles, anfibios y peces, en realidad no hay mucho córtex. En cambio, hay una estructura llamada palio, que es un análogo cortical, pero no parece enviar muchas proyecciones al tálamo. En estas especies, parece que el tálamo le informa al palio sobre el estado del mundo exterior. Pero a medida que avanzas en la evolución, el tálamo comienza a recibir muchos aportes del córtex. Es como si las neuronas corticales comenzaran a "invadir" al tálamo, creando un flujo de información de dos vías. Podría pensarse en la corteza como una serie de bancos de memoria, y el tálamo como un puntero que determina qué tareas deben implementarse en diferentes contextos. Pero hay algo potencialmente romántico en este papel para el tálamo: estás empezando a liberar al organismo de la inmediatez del mundo exterior.
La visión tradicional del papel del tálamo es que es principalmente una estación de relevo para información sensorial, como la visión. ¿Cómo surgió ese enfoque?
Al igual que hay muchas áreas corticales, las áreas talámicas están segregadas en diferentes partes y cada una interactúa con una parte diferente de la corteza. Las áreas sensoriales se entienden mejor porque son más fáciles de estudiar, y la parte mejor estudiada del tálamo es el núcleo geniculado lateral [LGN], que recibe entradas de la retina en el ojo y se proyecta a la corteza visual en la parte posterior del ojo. cerebro.
En primates, el LGN funciona como un relé, lo que significa que recibe entradas de la retina, pero no hace mucho con ellas. La retina es como una cámara, que puede pixelizar el mundo exterior. La luz llega a la cámara, o retina, y las intensidades de luz de diferentes puntos en el campo visual se codifican en intensidades de píxeles. Las interesantes transformaciones de la información visual, donde pasa de las intensidades de píxeles a ver formas y objetos en realidad, no comienzan hasta la corteza visual primaria.
Lo que es tan interesante acerca de la visión de los primates y la cognición visual es que cuando interactuamos con el mundo, no solo interactuamos con intensidades de píxeles, sino que construimos representaciones internas de objetos. Es por eso que puede clasificar cualquier taza que vea, incluso si nunca antes ha visto esa taza en particular y se ve diferente a otras tazas. Hay neuronas que pueden reconocer específicamente los rostros masculinos o femeninos, o responder solo a una foto de Jennifer Aniston, y todo eso sucede en el córtex, una razón por la que el tálamo ha sido dejado de lado.
Pero hay muchas otras áreas del tálamo además de la LGN y otras áreas sensoriales que interactúan con la corteza, incluidas las áreas involucradas en el control motor y la cognición. Ahora estamos estudiando esos también.
¿Qué evidencia sugiere que el tálamo está haciendo algo más interesante de lo que se pensaba anteriormente?
En ratones, hemos encontrado que las neuronas en otras partes del tálamo no funcionan como neuronas en la LGN. Esto es particularmente cierto para las partes más frontales del tálamo, como el tálamo mediodorsal, que está conectado a la corteza prefrontal.
Se cree que la corteza prefrontal es una de las áreas cognitivas más complicadas de la corteza: realiza tareas que son incluso más complicadas que el reconocimiento facial. En los seres humanos, por ejemplo, nos permite trazar paralelos, imaginar cosas que nunca hemos visto, e innovar. Según nuestros estudios en animales, creemos que el tálamo mediodorsal ayuda al cerebro a reducir su búsqueda de cuál debe ser el comportamiento o la respuesta correctos, de modo que pueda adaptarse rápidamente a medida que el entorno o la situación cambien. Toma datos incompletos de la corteza, luego usa esa información para determinar qué tareas debe realizar la corteza.
Las neuronas en el núcleo geniculado lateral (LGN) del tálamo tienen estructuras bastante simples y una tarea sencilla: transmitir datos visuales desde la retina a la corteza. Las neuronas en la región mediodorsal (DM) del tálamo, en contraste, tienen ramas mucho más complicadas y parecen realizar cálculos neurales más sofisticados. (Los colores en los neruons de MD revelan que las neuronas se unen a diferentes capas de la corteza, en lugar de terminar principalmente en las capas superiores de la corteza visual).
Ser capaz de cambiar nuestras respuestas según el contexto puede significar muchas cosas diferentes. Cuando ves un destello de luz roja en la intersección del tráfico, por ejemplo, pisas los frenos. Es casi un reflejo. Pero puedes comportarte de manera diferente cuando ves un destello de luz roja en una pista de baile, o incluso en un ring de boxeo, donde se usa una luz roja intermitente para comenzar cada ronda. Creo que el tálamo se da el lujo de cambiar el cerebro, lo cambia en aquellas partes involucradas en permitir un comportamiento apropiado. Lo hace para poder ubicar el área cortical lo suficientemente rápida como para permitir un procesamiento que dependa del contexto.
No tenemos ningún dato sobre esto en humanos. Pero tengo colegas en el MIT que ahora están estudiando este tipo de procesamiento de contexto en primates, haciendo registros de la corteza motora y el tálamo del mono. También han evidenciado el control talámico sobre los estados de la corteza motora, muy similar a lo que hemos descrito en ratas.
¿Qué sucede cuando el tálamo se daña en las personas?
Lesionar el tálamo en una persona puede causar pérdida de conciencia, anormalidades de percepción selectivas o problemas de memoria realmente graves. Si lesiona el tálamo mediodorsal, se producen déficits ejecutivos o problemas de memoria. En la esquizofrenia, las conexiones estructurales entre la corteza prefrontal y el tálamo mediodorsal, estas calles de dos vías, también se modifican. Estoy realmente interesado en qué información podemos obtener de los animales que nos podrían decir qué está cambiando en el tálamo y cómo el cerebro esquizofrénico construye un modelo interno del mundo.
¿Cuáles son otras aplicaciones potenciales de su investigación?
La IA es una aplicación potencial. Creo que si queremos crear inteligencia artificial, será muy importante que esas arquitecturas puedan generar dinámicas neuronales de la forma en que lo hacen nuestros cerebros. Existen funciones cognitivas realmente importantes que se atribuyen al tálamo, por lo que si entendemos esas arquitecturas, tiene el potencial de cambiar la forma en que diseñamos los agentes artificiales, construyendo computadoras con conexiones que imitan las vías neurales reales entre el tálamo y la corteza.
También me interesa la interfaz entre la ciencia del cerebro y las humanidades. A nivel fundamental, el arte es contexto. Por ejemplo, si observas un rostro con características distorsionadas en un cuadro de Picasso, lo registras como algo correcto, porque sabes que el contexto es arte y que el arte es un contexto en el que no es necesario respetar las normas familiares. Sin embargo, si ves la misma cara distorsionada en la vida real, es probable que respondas de manera diferente. No sabemos exactamente si esto es lo que el tálamo está haciendo en los humanos, así que esto es una inferencia. Pero creemos que las instrucciones sobre qué tareas debe realizar el cerebro en situaciones como esa están en el tálamo.
Proofreader: Rubén Carvajal
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