Un estudio con primates arroja luz sobre un mecanismo neuronal que separa la señal del ruido en el cerebro

Cuando se observa el cerebro a través de imágenes, hay mucho «ruido», que es una actividad eléctrica espontánea que proviene de un cerebro en reposo. Esto parece ser diferente de la actividad cerebral que proviene de entradas sensoriales, pero hasta qué punto el ruido es similar o diferente a la señal ha sido un tema de debate.

Una nueva investigación dirigida por un equipo de la Universidad de Tokio desenreda aún más la relación entre el ruido generado internamente y los patrones relacionados con estímulos en el cerebro, y encuentra que los patrones de actividad espontánea y la respuesta evocada por estímulos son similares en las áreas visuales inferiores del cerebro. corteza, pero gradualmente se vuelven independientes u «ortogonales» a medida que uno se mueve de las áreas visuales inferiores a las superiores.

Los hallazgos no sólo mejoran nuestra comprensión del mecanismo que permite al cerebro distinguir entre señal y ruido, sino que también podrían proporcionar pistas para desarrollar inteligencia artificial resistente al ruido que incorpore un mecanismo similar al encontrado en el cerebro biológico. El estudio es publicado en el diario Comunicaciones de la naturaleza.

«El cerebro hace mucho ruido», dijo el profesor Kenichi Ohki de la Escuela de Medicina. «Está constantemente activo incluso sin ninguna información sensorial. A pesar del ruido, nuestra percepción sensorial es muy estable. Estábamos interesados ​​en el mecanismo por el cual el cerebro maneja el ruido generado internamente para lograr una percepción estable».

Una relación ortogonal o independiente entre este ruido cerebral interno y las señales relacionadas con los estímulos explicaría cómo la percepción sensorial permanece estable.

Para probar qué teoría explica la relación entre el ruido cerebral y la actividad relacionada con los estímulos, los investigadores observaron monos tití, que tienen una neocorteza plana (la región más grande del cerebro de los primates) que facilita la observación de áreas corticales involucradas en las funciones superiores del cerebro. . Inyectaron un virus que porta un indicador de calcio codificado genéticamente llamado GCaMP, que incluye una proteína verde fluorescente unida a iones de calcio que resalta la actividad cerebral en las exploraciones por imágenes.

Al principio, la actividad cerebral espontánea parecía ondas con patrones espaciales irregulares. Esta actividad irregular parece ser una característica general del cerebro de los primates. El ruido espontáneo y la actividad relacionada con el estímulo parecían similares en las áreas corticales inferiores, lo que concuerda con investigaciones anteriores. Sin embargo, cuando los investigadores observaron más de cerca un área cortical superior, una parte del cerebro de los primates que ayuda a los monos a procesar una imagen en movimiento, hubo menos similitudes entre los dos tipos de actividad cerebral.

Las imágenes celulares y el análisis de la actividad neuronal encontraron una jerarquía que ayudó a separar el ruido cerebral y las señales relacionadas con los estímulos.

«La estructura jerárquica de la red cortical es crucial para separar el ruido interno de las salidas sensoriales. Este proceso de separación se llama ortogonalización», dijo el ahora profesor Teppei Matsui de la Escuela de Graduados en Ciencias del Cerebro de la Universidad de Doshisha en Kioto, quien fue profesor en la Facultad de Medicina de la Universidad de Tokio en el momento de esta investigación.

De cara al futuro, los investigadores esperan seguir estudiando el cerebro para comprender esta relación ortogonal y comprender lo que esto significa para la inteligencia artificial. A diferencia de las redes neuronales artificiales, la actividad espontánea es un rasgo característico del cerebro biológico.

«El siguiente paso es identificar los circuitos neuronales neocorticales críticos para la ortogonalización jerárquica», dijo Ohki. «También esperamos que este hallazgo contribuya al desarrollo de una nueva inteligencia artificial resistente al ruido».