Ha amanecido, usted toma un cafecito; momentos antes de que extienda voluntariamente su brazo, miles de neuronas en las regiones motoras de su cerebro entran en erupción, en un patrón de actividad eléctrica, que viaja a la médula espinal y luego a los músculos que impulsan que usted alcance la taza. Pero justo antes de esta actividad, aunque sea miles de segundos antes, masivamente sincronizada, las regiones motoras de su cerebro están relativamente tranquilas. Para los movimientos autodirigidos, como alcanzar su café, aún no se ha encontrado la señal de «ir» que ordena a las neuronas exactamente cuándo actuar, no antes ni después.
LA QUÍMICA UNA PIEZA CLAVE
Pues para activar esa señal motora de «ir», hay muchas piezas claves que se organizan en conjunto. Una de ellas viene en la forma de la sustancia química del cerebro conocida como dopamina, un neuroquímico asociado a menudo con el comportamiento de la cual son fans los psicólogos y todos los humanos pues se asocia a las recompensas, parece que tiene además que hacer otros trabajos y una de ellas es ayudar a organizar con precisión cuándo el cerebro inicia los movimientos, no en balde se le apellida neuromodulador.
La DOPAMINA, cuyo lento aumento en una región alojada muy por debajo de la corteza, predice de cerca el momento en que probablemente comenzará un movimiento segundos después en el futuro. Como neuromodulador se quiere decir que es un mensajero químico que altera ligeramente las neuronas para causar efectos más duraderos, lo que incluye hacer que una neurona tenga más o menos probabilidades de comunicarse eléctricamente con otras neuronas. Entonces en nuestro caso, la dopamina ayuda al sistema motor a decidir con precisión cuándo hacer un movimiento. Esto fue posible de saber, gracias a las tecnologías que permiten ver los neuromoduladores en funcionamiento en redes que atraviesan todo el cerebro.
Pero veamos más de cerca lo que es el ingenio humano para estudiar eso. Para identificar qué contribuye a la decisión repentina de cuándo moverse, los investigadores entrenaron primero a los ratones para que reconocieran que un movimiento de lamer les daría una recompensa de un delicioso refresco; pero condicionaron ese comportamiento a que eso sería posible, si los ratones programaban la lamida para que ocurriera entre 3.3 y 7 segundos después de una señal de un tono emparejado y un destello de luz. Por lo tanto, los ratones tenían una ventana de tiempo flexible en la que podían decidir moverse en cualquier instante. En consecuencia, el momento de su movimiento varió ampliamente entre los ensayos. Y entonces ya entrenados pasaron a estudiar qué pasaba en su cerebro in vivo. Para cada vez que ocurría el movimiento, los investigadores descubrieron que se producía casi inmediatamente al ritmo del movimiento dopamina alrededor de las neuronas modulando la velocidad del movimiento. Cuando la dopamina aumentó muy rápidamente, el movimiento ocurría al principio del período de respuesta; cuando la dopamina aumentaba lentamente, el movimiento ocurría más tarde.
Pero momentito, la cosa no fue tan fácil de explicar, no se comportaba eso como una causa un efecto, que se produce siempre en efecto. Los investigadores encontraron, que al igual que lo que ocurre con otros químicos neuromoduladores, la dopamina produce cambios que hacen que sea más o menos probable que las neuronas se disparen, pero no siempre es una correspondencia uno a uno. Entonces y acá viene lo más importante, la dopamina fue un componente importante de la señal que les dijo a los ratones exactamente cuándo moverse en este caso, pero otros neuromoduladores y la actividad neuronal que desempeñan un papel en la señal de «ir» para el movimiento, tiene otros componentes.
La química es importante mas no lo único que activa el «IR», aunque sea evidente que el comportamiento de producción y distribución de la dopamina en el cerebro, es un elemento importante en la decisión no solo de si moverse, sino exactamente cuándo hacerlo.
OTRAS CAUSAS
Otros científicos trabajando también con ratones –¡que encanto tienen los ratones para los biólogos! y en parte tienen algo de cirqueros estos hombres– Pues bien, decía que otro grupo de biólogos pusieron ratones a correr en una cinta de correr incrustada en un corredor de realidad virtual. En su mente, esos ratones se ven a sí mismos corriendo por un túnel con un patrón distintivo de luces por delante. A través del entrenamiento, el ratón aprendió que si se detiene en las luces y mantiene esa posición durante 1.5 segundos, recibirá una recompensa: un pequeño trago de agua. Luego puede correr hacia otro conjunto de luces para recibir otra recompensa.
Ahora imagínese que nos ponen como recompensa dinero a nosotros y nuestro investigador se pone a tratar de responder una pregunta simple: ¿Cómo funciona el cerebro, en ratones, humanos y otros mamíferos, lo suficientemente rápido como para detenernos en comida o un quetzal? El trabajo de estos científicos revela que el cerebro no está conectado para transmitir un comando agudo de «alto» de la manera más directa o intuitiva. En cambio, emplea un sistema de señalización más complicado basado en principios de cálculo matemático (¡el cerebro es matemático!). Este arreglo puede parecer demasiado complicado, pero es una forma sorprendentemente inteligente de controlar comportamientos que deben ser más precisos de lo que pueden ser los comandos del cerebro.
JUGANDO A LAS MATEMÁTICAS
Unos científicos últimamente para comprender mejor la respuesta, monitorearon la actividad neuronal en el cerebro de un ratón mientras cronometraban cuánto tiempo le tomó al animal desacelerar desde la velocidad máxima hasta detenerse por completo. Esperaban ver una señal inhibitoria en el MLR, provocando que las piernas se detuvieran casi instantáneamente, como un interruptor eléctrico que apaga una bombilla. Pero lo que descubrieron fue una señal de «parada» que fluía hacia el MLR mientras el ratón disminuía la velocidad, pero no aumentaba en intensidad lo suficientemente rápido como para explicar qué tan rápido se detuvo el animal y se toparon que entre la corteza donde se originan los objetivos y el MLR que controla la locomoción se encuentra otra región, el núcleo subtalámico (STN). Ya se sabía que el STN se conecta al MLR por dos vías: una envía señales excitatorias y la otra envía señales inhibitorias. Los investigadores se dieron cuenta de que el MLR responde a la interacción entre las dos señales en lugar de depender de la fuerza de cualquiera de ellas. Cuando el ratón que corre se prepara para detenerse, el MLR recibe una señal inhibidora del STN. Casi inmediatamente después, también recibe una señal excitatoria. Cada señal se enciende lentamente, pero el cambio entre ellas es rápido, y eso es a lo que presta atención el MLR: registra la diferencia entre las dos señales. Cuanto mayor sea la diferencia, más rápido será el cambio en la señal inhibidora y más rápidamente el MLR ordena a las piernas que se detengan. Aca entra las matemáticas para explicar todo eso.
Y ahora a tratar de explicar los resultados. Los investigadores proyectaron el mecanismo de parada en términos de dos funciones básicas de cálculo matemático: integración, que mide el área bajo una curva, y derivación, que calcula la pendiente en un punto de una curva. Si la detención dependiera solo de la cantidad de señal de detención que recibió el MLR, entonces podría considerarse como una forma de integración; la cantidad de la señal sería lo que importaba. Pero no lo hace porque la integración por sí sola no es suficiente para un control rápido. En cambio, el MLR acumula la diferencia entre las dos señales oportunas, lo que refleja la forma en que se calcula una derivada: tomando la diferencia entre dos valores infinitesimalmente cercanos para calcular la pendiente de una curva en un punto. La dinámica rápida de la derivada cancela la dinámica lenta de la integración y permite una parada rápida. “Hay una señal de excitación y una señal de inhibición y las dos se comparan instantáneamente”. “Cuando ese valor alcanza una cierta cantidad, se activa un interruptor que hace que el animal se detenga”.
Este sistema de control basado en derivados puede sonar indirecto, pero tiene sentido estratégico. Cuando un ratón que navega por la realidad virtual o un jugador de tenis que corre por una cancha se acerca a un punto de parada, puede que les resulte útil saber qué tan rápido van. Pero para planificar lo que necesitarán hacer a continuación, es más útil para ellos saber qué tan rápido están acelerando o desacelerando, la función derivada de su movimiento.
Todo ello “permite anticipar y predecir. Si conozco la derivada, la tasa de cambio de la velocidad, entonces puedo predecir cuál será mi velocidad en el siguiente paso”, “Si sé que tengo que parar, puedo planificarlo y hacer que suceda”.
Y todo eso se resume diciendo que funciona integradamente así: la región locomotora mesencefálica (MLR) del cerebro, envía señales a las neuronas en la médula espinal, que envían impulsos inhibitorios o excitatorios a las neuronas motoras que gobiernan los músculos: Alto. Vamos. Deténgase. Vamos. Cada señal es un pico de actividad eléctrica generada por el disparo de conjuntos de neuronas. Los biólogos han entendido durante mucho tiempo que las metas toman forma en la corteza cerebral del cerebro. ¿Cómo traduce el cerebro un objetivo (dejar de correr allí para obtener una recompensa) en una señal cronometrada con precisión que le dice al MLR que pise los frenos? La respuesta: se une la matemática, la química y la electricidad, con la fuerza; cosa no fácil de explicar e integrar aún del todo. Eso es lo que vuelve el estudio de una actividad motora un rompecabezas”.
