Neurocientíficos de la Universidad de California en San Francisco han descubierto cómo el cerebro puede generar escenarios futuros imaginarios, actuando como un GPS que alterna entre las rutas presentes y futuras posibles en tiempo real. El trabajo proporciona una nueva base para comprender no solo cómo el cerebro toma decisiones sino también cómo la imaginación funciona de manera más amplia, explican los investigadores en la revista 'Cell'.
"Una de las habilidades más sorprendentes del cerebro es imaginar cosas que no están frente a él", señala Loren Frank, profesor de fisiología e investigador del Instituto Médico Howard Hughes en el Centro UCSF para la Neurociencia Integrativa, codirector del Instituto Kavli de Neurociencia Fundamental de la UCSF y miembro del Instituto Weill de Neurociencias de la UCSF.
"La imaginación es fundamental para la toma de decisiones, pero hasta ahora la neurociencia no ha dado una buena explicación de cómo el cerebro genera futuros imaginados en tiempo real para informar varios tipos de decisiones cotidianas, al tiempo que realiza un seguimiento de la realidad al mismo tiempo", añade.
En el nuevo estudio, el equipo de Frank hizo que las ratas exploraran un laberinto en forma de M, mientras registraban el disparo de neuronas en el hipocampo llamadas 'células de lugar', que tradicionalmente se cree que siguen el rastro de un animal ubicación, como un sistema GPS neuronal.
Pero cuando las ratas se acercaron a una bifurcación en el laberinto, los investigadores descubrieron que su actividad en las células de lugar comenzó a alternar extremadamente rápido, a un ritmo de ocho veces por segundo, entre la representación de la posición actual del animal y sus dos caminos futuros alternativos.
El equipo también extendió este hallazgo a otro tipo de escenario imaginado. Además de la ubicación, también se sabe que las células de lugar realizan un seguimiento de la dirección de viaje de un animal. El equipo descubrió que las células de lugar que representan direcciones de viaje opuestas también podían alternar extremadamente rápido, como si dijera: "Voy por este lado, pero también podría darme la vuelta e ir por el otro lado".
"El rápido cambio de las células entre los caminos actuales y posibles era inconfundible porque era muy regular --explica Kenneth Kay, investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia que dirigió el estudio como estudiante graduado en el laboratorio de Frank--. Fue emocionante verlo porque la velocidad más la consistencia es exactamente lo que se necesita en cualquier cantidad de entornos del mundo real, tanto para animales como para humanos".
Las oscilaciones de las células del lugar entre el presente y los futuros posibles no parecían estar controlando directamente las decisiones de las ratas sobre qué camino elegir, pero se hicieron más fuertes a medida que las ratas se acercaban al punto de decisión, descubrieron Kay y sus colegas.
Esto sugirió a los investigadores que el papel del hipocampo en la toma de decisiones podría ser generar un "menú" de escenarios imaginados para otras partes del cerebro que puedan asociar estas opciones con la experiencia pasada de su valor o peligro potencial, y luego crear un decisión apropiada basada en los impulsos actuales del animal: hambriento o sediento, temeroso o audaz.
"Creemos que esto muestra que el hipocampo no solo es responsable de registrar el pasado y procesar el presente, sino también de imaginar el futuro --apunta Frank--. Este estudio es solo un primer paso, pero nos abre nuevas vías para estudiar cómo se generan y evalúan los escenarios imaginados en el cerebro a medida que los animales toman decisiones".
El hipocampo, una estructura en forma de caballito de mar que se encuentra a cada lado del cerebro en lo profundo de los lóbulos temporales, se encuentra entre las partes del cerebro más intensamente estudiadas.
El daño del hipocampo, ya sea por una lesión cerebral o en una enfermedad como el Alzheimer, priva a las personas de la capacidad de formar nuevos recuerdos, lo que lleva a los científicos del siglo XX a describir el hipocampo como el centro de memoria del cerebro.
En la década de 1970, los científicos identificaron las células del lugar del hipocampo, que crean espontáneamente mapas de nuevos entornos a medida que los animales los exploran, luego almacenan estos mapas para su uso posterior.
Este descubrimiento, que recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2014, llevó a los científicos a reconocer que el hipocampo también es un centro de navegación, responsable, por ejemplo, de permitir que un animal regrese al lugar donde recuerda haber comido esos deliciosas moras el verano pasado.
En este sentido, el trabajo previo de Frank y otros ha demostrado que la actividad de la célula del lugar puede reproducir los movimientos recientes de un animal o incluso anticipar hacia dónde se dirigirá un animal, pero dicha actividad solo se había visto de forma intermitente, generalmente cuando los animales descansaban o se detenían durante el movimiento en curso, como considerar activamente su próximo movimiento.
El nuevo estudio es el primero en demostrar cómo las células del hipocampo pueden representar diferentes escenarios hipotéticos de manera consistente y sistemática a lo largo del tiempo.
Tal sistema podría permitir a los animales en movimiento tomar decisiones extremadamente rápidas en el momento basadas en estas alternativas imaginadas y al mismo tiempo realizar un seguimiento de la realidad actual del animal, dicen los investigadores. Incluso podría desempeñar un papel en la capacidad del cerebro para generar escenarios o pensamientos hipotéticos de manera más amplia.
"El cambio regular entre presente y posible, o real e imaginado, parece ser un sistema robusto para generar muchas ideas, no solo para recordar o predecir mecánicamente --concluye Kay--. El hipocampo podría estar en la raíz de nuestra capacidad de imaginar".