Cómo las secuencias visuales moldean las respuestas del cerebro

El cerebro tiene una capacidad increíble para cambiar según las experiencias. Esta propiedad se llama Plasticidad. Permite que los circuitos del cerebro se adapten y mejoren según lo que hacemos y vemos. No solo es cierto para aprender a través de la práctica activa, como estudiar para un examen. El cerebro también puede cambiar a través de experiencias pasivas, como simplemente ver objetos en movimiento.

#Cómo afecta la experiencia al cerebro

Por ejemplo, si vemos una secuencia de puntos en movimiento, nuestros cerebros pueden reaccionar fuertemente cuando vemos un punto específico al inicio de esa secuencia. Esta reacción puede ayudar a nuestros cerebros a predecir lo que vendrá a continuación según lo que hemos visto antes. Los estudios han demostrado que tanto los humanos como los animales responden de manera similar cuando ven estos puntos en movimiento. La respuesta del cerebro a menudo está relacionada con lo que esperamos que suceda a continuación en nuestro entorno.

#La naturaleza de las secuencias visuales

En nuestra vida diaria, comúnmente encontramos secuencias de eventos que contienen varias características, como colores o formas. Sin embargo, no está claro si las respuestas del cerebro están vinculadas a características específicas o si son más generales. Si las respuestas son generales, esto podría significar que el cerebro está preparado para cualquier elemento que venga. Si son específicas de características, el cerebro podría enfocarse solo en elementos particulares, agudizando su capacidad para procesar ítems esperados.

Las expectativas pueden mejorar cómo funcionan las neuronas sensoriales cuando están sintonizadas con estímulos esperados. Los estudios muestran que cuando esperamos algo, nuestra actividad cerebral aumenta antes de verlo. Estas actividades a menudo provienen de contextos estáticos, como imágenes o sonidos. Pero aún no se sabe si actividades similares ocurren en contextos dinámicos, como una secuencia de objetos en movimiento.

#Qué pasa después de ver una secuencia

Después de exponernos a una secuencia visual que contiene varias características, queremos entender cómo procesa el cerebro esta información. Investigaciones anteriores han sugerido que la consolidación de la memoria, o cómo almacenamos lo que aprendemos, a menudo implica reproducir secuencias dentro del cerebro. Esta reproducción puede suceder en diferentes estados, como durante el sueño o cuando estamos despiertos. Muestra que el cerebro puede reactivar experiencias que hemos tenido de una manera compacta, ya sea avanzando o retrocediendo en el tiempo.

Esta reproducción a menudo está conectada a tipos específicos de actividad cerebral que ocurren a frecuencias altas. Estas oscilaciones de alta frecuencia son especialmente notables en el hipocampo, una región del cerebro conocida por su papel en la memoria. Hasta ahora, los eventos de reproducción se han observado principalmente en situaciones donde los participantes se involucran activamente en tareas. Sin embargo, no se sabe si simplemente ver una secuencia puede desencadenar estos eventos de reproducción.

#Investigando las respuestas cerebrales con MEG

En nuestro estudio, utilizamos una técnica llamada magnetoencefalografía (MEG) para investigar cómo responde el cerebro a secuencias visuales. Nos interesaba especialmente si las respuestas cerebrales aumentadas después de ver una secuencia estaban vinculadas a características específicas y cómo se organizaba esta información en el cerebro después.

Para explorar esto, los participantes primero vieron una secuencia específica de puntos en movimiento. Luego, observamos su actividad cerebral durante un período en blanco cuando solo veían el primer o el último punto de la secuencia. Sorprendentemente, las respuestas cerebrales aumentadas que observamos no estaban ligadas a ninguna dirección de movimiento específica. Sin embargo, encontramos que la información de dirección se reactivó espontáneamente durante el período en blanco, indicando que la secuencia se reproducía en orden inverso.

#El procedimiento del estudio

Los estímulos visuales en nuestro estudio fueron cinematogramas de puntos aleatorios (RDK), donde todos los puntos se movían en la misma dirección. En el primer experimento, los participantes experimentaron tres condiciones. En la condición de secuencia completa, vieron los cuatro RDK en un orden específico, ya sea en sentido horario o antihorario. En las condiciones de solo inicio o solo final, solo vieron el primer o el último RDK.

Los participantes pasaron por varias fases: una fase de localización funcional, una fase de exposición y una fase principal. La primera fase nos ayudó a entrenar nuestros modelos para decodificar cada dirección de movimiento. En la fase de exposición, los participantes vieron la secuencia completa de puntos durante aproximadamente 30 minutos, mientras que en la fase principal, experimentaron una mezcla de ensayos de RDK completos y únicos.

#Midiendo la actividad cerebral

Para medir la actividad cerebral, calculamos campos relacionados con eventos (ERFs) para cada una de las tres condiciones de ensayo. Encontramos que tanto los ensayos de solo inicio como de solo final producían respuestas cerebrales en forma de ondas similares a las de los ensayos de secuencia completa, incluso sin ver la secuencia completa después. Esto indicó que el cerebro seguía reaccionando fuertemente después de ver solo un punto.

A continuación, examinamos si estas respuestas elevadas estaban ligadas a una característica específica al intentar decodificar direcciones de movimiento durante los períodos en blanco correspondientes a los intervalos de RDK. Utilizamos una técnica llamada análisis de decodificación temporal, encontrando que aunque podíamos decodificar la dirección de movimiento del primer RDK, la información sobre direcciones de movimiento posteriores no era evidente durante el período en blanco.

#Reproducción hacia atrás en el cerebro

Un aspecto importante en el que nos enfocamos fue cómo se organizaba la información de dirección de movimiento durante el período en blanco. Resulta que esta información no estaba vinculada a un tiempo específico, sino que parecía estar organizada de una manera más espontánea. Para probar esto, entrenamos modelos para capturar características neuronales de las cuatro direcciones de movimiento.

Encontramos evidencia sólida de que la reproducción hacia atrás de la secuencia de movimiento ocurría durante el período en blanco. Esto significa que después de que los participantes vieron la pista, sus cerebros reactivaron la secuencia de movimiento en orden inverso. La reproducción hacia atrás ocurrió principalmente después de que había pasado cierto tiempo, sugiriendo una organización temporal vinculada al procesamiento de secuencias de movimiento por parte del cerebro.

#El papel de las pistas

Nuestros hallazgos también destacaron la importancia de las pistas para desencadenar la reproducción. Cuando presentamos una pista diferente o reducimos la cantidad de exposición a las secuencias, esto afectó si ocurrían eventos de reproducción. En un experimento, presentamos un punto en medio de la secuencia como pista y no observamos ninguna reproducción. Esto sugiere que solo las pistas al inicio o al final de una secuencia podrían inducir una reproducción significativa en el período en blanco.

#Vinculando la reproducción a la potencia cerebral

Investigaciones en ratas y humanos han demostrado que los eventos de reproducción a menudo están relacionados con un aumento de la potencia a altas frecuencias. Queríamos investigar si este aumento de potencia podría observarse en nuestro estudio. Al analizar los datos de tiempo-frecuencia en torno a los eventos de reproducción, encontramos un aumento transitorio en la potencia a ciertas frecuencias durante el inicio de la reproducción.

#Dónde ocurre la reproducción en el cerebro

A continuación, nos enfocamos en identificar dónde ocurren estos eventos de reproducción en el cerebro. Descubrimos que ocurría una actividad significativa en el Lóbulo temporal medial (MTL) antes de la activación de la corteza visual. Esto indica que los eventos de reproducción que observamos en la corteza visual podrían ser iniciados por actividades en el MTL. Esencialmente, el MTL parece activarse antes de las áreas visuales durante la reproducción.

#Conclusión: Lo que aprendimos

Nuestro estudio reveló dos hallazgos clave sobre cómo el cerebro responde a secuencias visuales. Primero, encontramos que las respuestas cerebrales aumentadas desencadenadas por secuencias visuales eran generalmente no específicas a ninguna característica, lo que es diferente de algunos estudios anteriores. Estas respuestas pueden apoyar el procesamiento general de estímulos anticipados en lugar de enfocarse en detalles específicos.

En segundo lugar, mostramos que pueden ocurrir eventos de reproducción significativos después de una breve exposición a una secuencia visual, lo que indica que incluso las experiencias cortas pueden fortalecer la memoria. Esto es importante porque revela cómo las secuencias visuales pueden influir en el aprendizaje y la memoria en el cerebro.

En resumen, nuestro trabajo destaca cómo la simple exposición visual puede llevar a dos tipos de plasticidad cerebral, enfatizando las diversas formas en que el cerebro se adapta a las experiencias. El estudio abre nuevas avenidas para explorar las complejas relaciones entre diferentes áreas del cerebro, la naturaleza del aprendizaje y cómo nuestras experiencias dan forma a nuestra comprensión del mundo.

Esta investigación involucró a un total de 59 participantes sanos con visión normal, enfocándose en su capacidad para procesar secuencias visuales y cómo esto se relaciona con la actividad cerebral. A través de una serie de experimentos cuidadosamente diseñados, pudimos obtener información sobre la funcionalidad y plasticidad del cerebro, contribuyendo significativamente a los campos de la neurociencia y la psicología cognitiva.