Cómo el Cerebro Procesa el Espacio (y qué pinta la Física en esto)
Hola, Patri. Se que me estás escuchando. Mira, ya se que no debería entrar en tu territorio
sagrado. Pero es que la buena gente de RBA me han mandado su nueva colección “Los
Secretos del Cerebro”... ...(más información al final de este vídeo)...
… y me han invitado a hacer un vídeo sobre el tema. Al parecer en el canal solo hablo
de física y piensan que soy un poco pesado… LO CUAL NO ESTOY NADA DE ACUERD
bueno, la cuestión es que esto me queda muy grande. ¿me preguntas sobre cosmología?
Me defiendo, ¿me preguntas sobre física cuántica? Me defiendo. ¿Pero esto? Patri,
por favor, nunca he estado tan desesperado. Ayudame, mandame un señal
Un momento… Andrea. ¡Claro! ¡Tenemos vídeo! ¡Dentro cabecera!
¿Y si no tuviera que renunciar a la física? ¿y si pudiera hablar de neurociencia desde
el punto de vista de un físico? Tal y como lo oís, porque resulta que una
muy buen amiga mía que trabaja en el tema desde esta perspectiva: Física + neurociencia.
¿Cómo es eso posible? ¡Abrid vuestra mente! ¡y vamos a visitar el Instituto Cajal en
Madrid dónde Andrea Navas está trabajando! Tal vez a algunos os suene: me estuvo acompañando
con la guitarra en el vídeo de la acidificación, me echó una mano con los dibujos del primer
vídeo del canal y además es la mismísima diseñadora del logo de QuantumFracture. Vamos,
es la tia más pro del mundo. Vamos a ver que nos cuenta.
Vale, Andrea, a ver. Creo que esto no te lo he preguntado nunca. Después de hacer física,
después de ver cosas de partículas, de cosmología y tal… O sea, ¿de dónde te viene cambiarte
a cosas de neurociencia? ¿de dónde te viene esa pasión por la sesera?
Primero déjame decirte que es muy sorprendente que en este campo me he encontrado a mogollón
físicos. Qué tú dices ¯_(ツ)_/¯ Si lo piensas es algo natural. Al final la física lo que trata de explicar es cómo funciona el mundo. El mundo, el cosmos, el
universo etc. ¿Cuales son las dos cosas más “grandes”
de la existencia? El Universo y la mente humana. “Cosas” y “humanos”. Son, digamos,
las dos categorías. Yo en bachillerato ya sabía que había algunas
maneras de conectarlos, lo que pasa es que yo no sirvo ni para estudiar ni medicina ni
bioquímica ni nada de esto; a mi me gusta mucho la física. Y ya en la universidad fui
viendo que había muchos físicos que se habían pasado a la neurociencia.
Hay formas de hacerlo mucho más experimentales y mucho más teóricas. Teóricas de solo
ecuaciones. ¿Puedes estudiar el cerebro con ecuaciones?
Con papel y boli, sí, sí. Como un sistema del que tu quieres hacer ciertas medidas y
quieres hacer predicciones. Vamos a empezar por lo básico: Esta es una
neurona. En tu cerebro hay alrededor de 80 mil millones de ellas… Pero eso no es lo
importante. Lo importante es que están interconectadas unas con otras en el que puede ser el patrón
más enrevesado jamás visto; por no hablar de cómo otras células especializadas las
apoyan en sus tareas. Es complejidad en estado puro… Y si ya te paras a pensar en lo que
pasa dentro de una neurona... es que es increíble. Parece casi un fractal.
Te vas metiendo y cuanto más te metes más complejidad hay. Patri, creo que no puedo
con esto. Solo soy un simple físico, no estoy a la altura…
Vale. Keep it cutre. Para no liar esto demasiado vamos a centrarnos solo en las neuronas y
voy a sobresimplificar lo que ocurre aquí dentro para que podamos ir a la física. Podemos
distinguir tres partes de la neurona: las dendritas, las partes que reciben información
de otras neuronas, el soma, el cuerpo celular que procesa la información y el axón, el
camino de salida, que se ramifica para mandar información a otras neuronas. Input. Output.
Ok, pero ¿Cómo se hace esta transmisión? Muchos de vosotros habréis oído que la neurona
lo hace a través de corrientes eléctricas… Pero esto puede ser un poco confuso. Si desde
luego estás pensando en electrones moviéndose, como ocurre en un cable metálico, desde luego
que no. Lo que ocurre, por ejemplo, en el axón, es un delicado proceso bioquímico
en el que la célula absorbe y luego expulsa iones del medio. Un baile de cargas eléctricas
que se transmite como una ola a través del axón. Al final de este,
la llegada del impulso provoca la liberación de unas moléculas llamadas “neurotransmisores”
que se dirigen a las dendritas de otra neurona, la excitan y comienzan de nuevo el ciclo.
Esta movida final (porque es una movida bioquímica) se llama sinapsis. Lo que a nosotros nos importa:
Cuando la neurona produce una de estas activaciones se dice que ha disparado.
los disparos son como los ceros y los unos. Como ese lenguaje básico en el que habla
las neuronas. Si se activan, *disparo*, si no se activan, no *disparo*. Es mucho más
complejo que esto, pero un poco se puede ver así.
La cosa es que estos cambios de carga eléctrica son pequeños, pero producen cambios en el
potencial lo bastante potentes como para que una sonda puede detectarlos. Sí, los neurocientíficos
pueden en un laboratorio saber cuando disparan neuronas individuales.
Y hay gente que se dedica a estudiar cómo es ese intercambio de moléculas entre una
neurona y otra. Luego vas extendiendo y, a lo mejor, en vez de estudiar la neurona lo
que te interesa es estudiar un pequeño circuito que se encarga de analizar ciertos aspectos
del mundo. Por ejemplo, yo trabajo en el hipocampo y en el hipocampo hay circuitos especializados
en codificar y entender la información espacial. Pero eso es el hipocampo, que es un trocito
muy pequeño del cerebro. Luego te puedes ir a mayores y mayores escalas y hay gente
que estudia el cerebro entero. Y en eso hay muchos físicos investigando porque se puede
meter Teoría de Grafos, ver como la Topología del cerebro influye en este procesamiento.
Ahí hay muchas cosas de física que están guays. ¡A mi no me importaría dedicarme
a ese tema pero hay que elegir! Ok, Andrea, ¡pero cuéntanos sobre lo tuyo!
vale, primero, te voy hablar sobre los ritmos cerebrales. Los ritmos cerebrales son ondas
electromagnéticas que se pueden medir y se pueden medir solo porque muchas neuronas se
activan a la vez. Hay ritmos muy lentos, que se completan en
varios segundos, mientras que hay otros super rápidos, que se completan en centésimas
de un segundo, como los “Ripples”. Recordadlos, hablaremos de ellos más tarde.
tú imagínate neuronas disparando todas a la vez a 150 herzios… Es que es muy heavy
esto. Hay también otros ritmos, por ejemplo el que estudio yo se llama el ritmo Theta,
y este está asociado al movimiento… Pequeña pregunta: ¿/teta/, /zita/ o /zeta/?
...y entonces, el animal está quieto y no mides ese ritmo, las neuronas hacen pues lo
que sea. Y se pone a andar y, de repente, hay esa conjunción. Es muy bonito, ¿no?
Hay otros ritmos que están asociados a otras cosas, la intención de movimiento, ritmos
que están en despierto pero no en sueño. Hay muchos tipos de ritmos. Hay una cosa que
no te he dicho y es que los ritmos se conservan entre especies. Bueno, a ver, que así la
evolución ha hecho *ti ti ri tiii* [risas] Y, en concreto, Theta, que es el que está
asociado al movimiento y a la percepción espacial, su función principal es la orquestar
a las neuronas. Es como un director de orquesta que les dice “ahora tú, dispara aquí,
ahora tú activate aquí” y va un poco como ordenando.
Te voy a dar un ejemplo que mola un montón, que son las células del espacio. Hay neuronas
que se activan según tu vas andando por diferentes lugares.
Por ejemplo, yo estoy en este sitio, por lo que la Neurona A se activa. Entonces me levanto,
doy un paso y se activa la Neurona B. Y doy un paso y se activa la Neurona C. ¿Por qué?
Porque la Neurona A estaba codificando este lugar, la Neurona B estaba codificando este
lugar y la Neurona C estaba codificando este lugar.
Luego, resulta, que cuando yo quiera recordar esto que he hecho, mi cerebro va a hacer:
“se activa la Neurona A, se activa la Neurona B y se activa la Neurona C”.
Es el recuerdo de, digamos, la secuencia espacial que yo he hecho. Esto se descubrió hace unos
años y fue, vamos, impresionante. Porque en el hipocampo, que es una estructura del
cerebro muy primitiva, no se había visto que tuviera un procesamiento de la información
tan directo. Tan… Pues eso: estás aquí, una neurona codifica este, otra neurona este,
y otra neurona este. Pero es que no es solamente eso...
...porque hay muchísimas más células que consiguen codificar aspectos del espacio.
Por ejemplo, los investigadores se dieron cuenta de algunas neuronas solo disparaban
cuando el animal miraba a una cierta dirección. Si cambiaba de orientación, estas se callaba
y otras se activaban. Acaban de descubrir nuestra brújula biológica: las células
de dirección. También existe las células de retícula, unas neuronas que solo se activan
cuando el animal pasa por los nodos de una red imaginaria, como si las propias neurona
la estuviera trazando. Se cree que sirve para marcar una referencia espacial y estabilizar
el movimiento, algo así como marcar el (0,0) de coordenadas en un mapa. Y también están
las células de borde, que se activan solo cuando el animal está en los borde de fronteras
físicas, la sala o un objeto. ¡Este es nuestro GPS cerebral, gente! ¡Al final va a resultar
que no somos tan distintos a un robot aspiradora! Pero esperad, porque veréis lo que pasa cuando
metemos el tiempo. Os voy a dar otro ejemplo del momento en el
que se activan… ¡Ohhh! ¡Podemos usar la pizarra!
Mira esto es un segundo del ritmo Theta (un poco lento). Esta es esta habitación vista
desde arriba (esta es una mesa, esta es otro y aquí me sentaba). Y, entonces, yo he tenido
que la neurona A se activaba mucho aquí, luego la B aquí y la C aquí. *Spike*, *Spike*,
*Spike*, *Spike*, luego la B sería así y luego la C sería así… Más o menos, porque
esto es mucho más complejo que esto, ¿vale? Porque en el ritmo Theta esta activación
se coloca en el tiempo según va a ser en el futuro o va a ser en el pasado. Me explico:
La forma esquemática de representar esto (bueno, y la real, de hecho esto es lo que
pasa en el cerebro) es que cuando tú estás en el Sitio 1, la Neurona A (que es la que
codifica el Sitio 1) dispara justo en este valle de aquí. Como te vas a dirigir al Sitio
2 (que el que la Neurona 2 está representando más), dispara en esta subida. Porque la subida
esta representa como el futuro. Tu vas andando… A ver (aclaración) esto
tampoco es así. Estas van disparando un poco a lo random, sí.
Cuando llegas al Sitio 2, la Neurona B (que es la que representa el Sitio 2) dispara en
“su presente”, que es aquí (en el valle). La Neurona A, que representaba el Sitio 1,
se ha quedado en el pasado, asi que dispara en esta bajada de aquí. Y la C, que va a
suceder en el futuro, dispara aquí. Y cuando llegas al Sitio 3, pues sucede que
la Neurona C dispara aquí y la B en el pasado, en esta bajada.
Claro. La verdad es que esto es muy inteligente. Si este ciclo no estuviera, el cerebro no
tendrías ninguna manera de diferenciar esto de esto.
Es decir, que el ritmo Theta sirve como un punto de referencia temporal, fijaos que la
Neurona A siempre dispara antes que la Neurona B, así que con solo esta información ¿cómo
puede el cerebro saber si está en el lugar que codifica la Neurona A y se dirige al de
la B o si está en B y a dejado atrás el lugar de la A? El ritmo Theta le ayuda a diferenciarlo.
este ritmo los orquesta para decir en que momento estoy ahora, que ha sucedido en el
pasado y hacia donde me estoy dirigiendo. De hecho, el tiempo es algo que está super
poco estudiado. Se está proponiendo que igual que había células de espacio, que son estas,
las de lugar, se propone que hay células de tiempo. Pero no hay experimentos claros
que puedan demostrarlo, porque espacio-tiempo-velocidad están relacionados… Y, entonces, como también
hay células de velocidad… Es complicado. En neurociencia lo más difícil de verdad,
es diseñar buenos experimentos. Que te permitan descartar o afirmar una hipótesis concreta.
Pero, quietos, porque queda algo más... Aquí está la secuencia de movimiento A,
B y C. Cuando yo quiera integrar esta secuencia de movimiento para integrarla en mi mapa espacial…
Vendrán los “Ripples”, esos eventos de sincronización tan fuertes, lo más fuertes
que hay en el cerebro. Un Ripple a lo mejor es algo como así. Claro, ¡mirad que diferencia!
¿Cómo sucede está consolidación de la secuencia de movimiento? Básicamente lo que
el cerebro hace es apretar la sucesión de disparos. Durante la rapidísima duración
del Ripple, la neuronas se activan en orden y eso permite asentar el recorrido.
Entonces si tu lo que hace es… La ratita va andando y, cuando va a consolidarlo, detectas
este Ripple y lo cortas a la mitad (de modo que se queda así)... Pues ya no te acuerdas
de lo que has hecho. O, hay gente que lo que hace es prolongarlo.
Hace que sea como así. Esto es super reciente, creo que es de este año. Esto hace que la
memoria aumente mucho, que recuerdes mucho mejor, que aprendas mucho más rápido y que
hagas las tareas mucho mejor. Ok, Andrea, ¿y dónde entra la física en
todo esto? Yo lo que hago estudiar cómo la neurona…
cómo acaba haciendo todo esto. Qué hace, qué inputs recibe para que acabe pudiendo
hacer esto. La idea es que la neurona, por muy compleja
que sea, debería ser un sistema físico predecible. Pensad en el caso del péndulo múltiple.
Coged un péndulo, del extremo colgadle otro, y otro, y otro y así sucesivamente. Puedes
hacer que este sistema se mueva de maneras muy sencillas, pero métele un cebollazo a
cualquiera de los péndulos y verás lo que pasa. La trayectoria que traza el último
péndulo tiene una complejidad muy alta, casi como si tuviera vida propia. Y todo es gracias
a que hemos acoplados un montón de elementos juntos. Lo mismo puede estar pasando en una
neurona. De hecho si haces que cada péndulo se mueva
de la manera correcta, podrías hacer que el extremo dibuje figuras con bastante precisión,
de manera similar a las del vídeo de 3Blue1Brown. Todo es cuestión de averiguar cuales son
esas condiciones iniciales, esos inputs que permiten obtener ese output. Esto es lo que
busca Andrea en la neurona. ¿Y cómo lo hace? Bueno, al igual que este
péndulo no existe, es una simulación creada a partir de las ecuaciones que rigen su dinámica,
todas las partes de una neurona también se pueden modelizar matemáticamente de esta
manera, abriendo un campo de juego en el que poder explorar cómo funciona.
Cada rinconcito de la neurona tiene tiene varias decenas de ecuaciones diferenciales
y tu al final tienes el comportamiento de la neurona una vez has integrado todas esas
ecuaciones (¡ahí la física está otra vez!). Pues yo utilizo estas ecuaciones para ver
cómo se comporta. Entonces digo “ah claro, ¿qué pasa si yo aumento el input que viene
de la zona sensorial, es decir que está más conectada con lo que ve? ¿cómo cambia el
disparo?” “¿qué factores son los que determinen que una neurona dispare más aquí
que aquí?”. Porque sí esto es muy bonito, mola muchísimo, pero ¿cómo se ha llegado
a esto? ¿qué hace el cerebro para que tú puedas llegar a representar el pasado, el
presente y el futuro de una caminata? Pues esas cosas son las que estamos estudiando
aquí. Pasito a pasito, pero… … pero seguro que dentro un tiempo tendremos
una visión más clara de cómo opera este trozo de carne. Pero, oye, si os interesa
el tema y queréis saber más cosas sobre cómo funciona nuestro encéfalo, os recomiendo
leer esta nueva colección de libros
de National Geographic: “Los Secretos del Cerebro”.
