AP811010071-2769Pasada la primera mitad del siglo XX se sabía mucho sobre la estructura del cerebro, sobre la electrofisiología de los núcleos del sistema nervioso e incluso sobre la química y la farmacología cerebral de las neuronas. Sin embargo, se seguía sin tener ni idea de cómo esos intercambios de iones, esas conexiones sinápticas y esas uniones transmisor-receptor se transformaban en pensamientos, en sentimientos, cómo el cerebro interpretaba el mundo, procesaba esa información y daba una respuesta.

El punto de partida estaba claro, era la información del mundo externo que llegaba a través de los órganos de los sentidos y se representaba de una forma ordenada en la corteza sensorial primaria. Lcdoypy9iEn esas regiones corticales se veía una ordenación topológica, una correspondencia punto a punto, donde el mapa de la piel o el mapa de la retina se trasladaba a un mapa cortical pero se desconocía cuál era la siguiente fase en el procesamiento de la información sensorial.

Un avance clave fue el registro electrofisiológico de neuronas individuales. Hasta entonces se colocaba en la zona de interés un electrodo bastante grueso (básicamente un alambre afilado y barnizado menos en la punta) pero recogía información de cientos de neuronas simultáneamente. El nuevo invento fue una micropipeta de cristal, construida alargando súbitamente un capilar de vidrio calentado y roto bajo el microscopio hasta tener una punta finísima del diámetro deseado. r-cell_yellowDentro se colocaban soluciones en concentración conocida, se empalaba una célula y se acoplaba a un sistema electrónico que registraba, amplificaba y grababa las señales de esa neurona concreta durante horas.

Los homúnculos de Penfield habían dejado claro que el cuerpo estaba representado en la corteza cerebral pero había muchos interrogantes que pudieron ser abordados con la nueva tecnología. El tacto recogía las sensaciones de la piel y generaba en la corteza somatosensorial, una localización topográfica de las sensaciones. homunculusSin embargo, no era una modalidad sensorial unidimensional sino que había distintos subsistemas claramente identificables. Con un gato, por ejemplo, estaba, por un lado, la sensación profunda de hacer presión sobre su piel y, por otro, una sensación superficial al acariciar suavemente su pelo. Eran sensaciones diferentes recogidas por receptores diferentes pero las dos confluían en la corteza somatosensorial.

Vernon Mountcastle, un neurólogo de Johns Hopkins al que llamaban el Jacques Cousteau de la corteza cerebral, estaba interesado en la relación entre percepción y respuesta neuronal y afrontó el tema con el registro intracelular. Vio que cada neurona de la corteza somatosensorial respondía exclusivamente a una de las dos modalidades; es decir, hay neuronas para sensaciones profundas y otras dedicadas a las superficiales. El segundo descubrimiento importante, después de registrar miles de células, era que las neuronas de una modalidad estaban separadas de las de la otra y cada grupo formaba un submapa coherente de toda la piel. El tercer descubrimiento importante cambió nuestra forma de mirar al cerebro: las neuronas que respondían a un estímulo estaban situadas una debajo de otra formando microcolumnas verticales en esa delgada capa de dos a cuatro milímetros de espesor, la corteza cerebral. Todas las partes de la corteza operaban siguiendo un principio común y la microcolumna cortical era la unidad de computación, un grupo de neuronas que trabajaban juntas en la misma tarea.

vernon_mountcastleMountcastle, que había participado en el desembarco de Normandía, tenía la costumbre de trabajar una jornada completa, irse a casa a cenar a las 6 y luego volver al laboratorio hasta las doce de la noche. En su autobiografía contaba lo que sintió cuando hizo su último experimento, en 1992: «se me rompía el corazón de dejarlo, pues no he tenido mayor emoción en mi vida que hacer un descubrimiento, por pequeño que fuera». Pero volvamos atrás, Mountcastle estaba loco por saber cómo el cerebro integraba las diferentes informaciones de las distintas microcolumnas. Enseñó a un grupo de monos a tomar decisiones y hacer un movimientos a cambio de un pequeño premio. Registraba individualmente distintas neuronas con la ventaja de que los animales no estaban pasivos sino que se movían y tomaban decisiones. Vio que las microcolumnas de neuronas que se encargaban de una tarea «hablaban» con otras microcolumnas, coordinando las tres fases sucesivas: la percepción, la decisión y el movimiento. Era como el equipo de rodaje de un documental, con especialistas en sonido, en iluminación, medidores de distancias, medidores de expresiones, todos trabajando juntos para lograr un producto integrado y de calidad, una imagen coherente del mundo.

Los experimentos de Mountcastle, aunque fueron recibidos inicialmente con mucho escepticismo, abrieron un campo nuevo. El cerebro funcionaba a la vez en serie y en paralelo, recogía toda la información de los sentidos, la separaba en módulos distintos, procesaba la información de cada uno de forma independiente y luego lo volvía a juntar en un esquema integrado.

Aunque Mountcastle se centró en el tacto, el sentido clave para entender el procesamiento de la información en el cerebro fue la vista. Se sabía que la retina proyectaba sobre la corteza visual de forma ordenada, punto a punto. Stephen Kuffler, un neurofisiólogo del Instituto Oftalmológico Wilmer, empezó también a hacer registros de neuronas individuales. Un sueco llamado Torsten Wiesel fue allí a hacer su postdoc, mientras que un canadiense, David Hubel, iba a ir a trabajar con Mountcastle pero este estaba remodelando el laboratorio y Stephen Kuffler los puso juntos con la idea de que sería una colaboración de nueve meses, hasta que los nuevos laboratorios de Mountcastle estuvieran terminados. En realidad, la colaboración se alargó durante veinticinco años y formaron «pareja científica» como Watson y Crick o Hodgkin y Huxley (no, Ramón y Cajal no entra en ese grupo).

David Hubel nació en Windsor, Canadá. De los seis años a los dieciocho estudió en la Strathcona Academy en Outremont, Quebec. Años después diría «debo mucho a los magníficos maestros que tuve allí, en especial a Julia Bradshaw, una profesora de historia, vivaz y dedicada, con un memorable temperamento irlandés que despertó en mí la posibilidad de aprender cómo se escribe un inglés legible». David-Hubel_2682766bDe niño le gustaba la química y la electrónica pero fue perdiendo interés porque ninguno de los aparatos que construyó llegó a funcionar. Estudió matemáticas y física en la Universidad McGill y luego, sin haber estudiado nunca biología, entró en la facultad de Medicina. Al terminar se fue a Johns Hopkins a hacer una residencia en Neurología pero fue reclutado por el ejército que le envió a investigar en el Instituto Walter Reed, donde aprendió a hacer registros en la corteza visual primaria de gatos despiertos y anestesiados. Swedish Neurobiologist Torsten WieselTorsten Wiesel, por su parte, nació en Uppsala (Suecia) e inició su formación científica en el Instituto Carolina, el famoso Karolinska. Aunque empezó con la psiquiatría, la profesión de su padre, pronto se dedicó a la neurofisiología. En 1959 Kuffler recibió una oferta de Harvard y se trasladó con todo su equipo y sus familias, incluidos los «brain boys», los chicos del cerebro, Hubel y Wiesel. La universidad Johns Hopkins les permitió llevarse sus equipos y su celo debió ser tal que Kuffler les telefoneó desde Boston para decirles que dejaran al menos las ventanas.

Los primeros experimentos de Hubel y Wiesel mostraron algo sorprendente. La corteza visual no respondía a puntos de luz como la retina sino a figuras geométricas más complejas como líneas, cuadrados o rectángulos. Al principio no conseguían que ninguna de las neuronas del gato que estaban registrando respondiera. Movían los brazos, saltaban alrededor del gato e incluso probaron a poner delante del felino algunas revistas con chicas. ¡Nada! , ni siquiera la visión de aquellas damas consiguió que la neurona empalada mostrara actividad. Finalmente lo consiguieron y lo cuentan así:

Localizar una zona de la retina en la cual nuestros puntos de estímulo provocaran algún indicio de respuesta [cortical] nos llevó muchas horas, pero finalmente encontramos un lugar que dio vagos indicios de respuesta. De pronto, mientras insertábamos una de nuestras transparencias en el oftalmoscopio, la célula pareció cobrar vida y empezó a disparar impulsos como una ametralladora. Nos llevó un rato descubrir que los disparos no tenían nada que ver con la pequeña mancha opaca [usada como estímulo] sino que la célula estaba respondiendo al movimiento de la sombra del borde de la transparencia de cristal mientras la insertábamos en la ranura. Nos llevó aún más tiempo y pruebas descubrir que la célula respondía sólo cuando la débil línea era arrastrada hacia delante en un cierto rango de orientaciones. Cada cambio de orientación del estímulo en unos pocos grados hacía las respuestas más débiles, y una orientación perpendicular al ángulo óptimo no producía ninguna respuesta.

hubel-experimentEs decir, fueron viendo que 1) la neurona solo disparaba cuando la línea se situaba en una zona particular de la retina, si estaba fuera, no disparaba; 2) la actividad de esa neurona aumentaba o disminuía según la orientación de la línea y 3) algunas veces la neurona solo disparaba si la línea se movía en una dirección determinada. Hubel y Wiesel llamaron a las neuronas que respondían a aspectos sencillos, como patrones de luz y oscuridad, «células simples» pero además identificaron otras neuronas que detectaban bordes o movimientos en determinadas direcciones a las que llamaron «células complejas». También se descubrió otro tipo de células llamadas «hipercomplejas» que respondían a combinaciones aún más complicadas, por ejemplo dos bordes formando un ángulo recto en una zona más amplia del campo visual. Todo ello sugería una jerarquía de detectores de características en la corteza visual y se vio que había neuronas especializadas en detectar bordes, movimientos, profundidad estereoscópica o color. Los distintos potenciales de acción eran los bloques de lego del paisaje visual.hubel

Estos experimentos demostraban que el sistema visual construía representaciones complejas de la información a través de la identificación de detalles individuales en niveles sucesivos de complejidad y sus respuestas permitían entender los mecanismos neuronales subyacentes a la percepción. Las áreas de la corteza visual también se repartían el trabajo, algunas estaban ocupadas por neuronas de procesamiento simple, otras por neuronas complejas, otras por hipercomplejas y finalmente otras sumaban y coordinaban toda esa información en una imagen integrada. Las microcolumnas con propiedades similares se encuentran además unidas por sistemas horizontales. De este modo, un grupo de columnas específicas de la orientación pueden representar todas las direcciones del movimiento en una región específica del campo visual conectarse entre sí de forma horizontal y formar las llamadas hipercolumnas.

Hubel y Wiesel estudiaron también cómo se integra en una imagen estereoscópica la información de ambos ojos. Cada ojo tiene su nervio óptico, cuyos axones cruzan parcialmente al lado contrario en el quiasma óptico pero es en la corteza visual donde confluye la información. Los dos investigadores usaron técnicas de degeneración de vías, en particular el método de Nauta, que tiñe los axones en neurodegeneración. experience_bleu05_img01Tras extirpar un ojo pudieron ver que las proyecciones de un ojo se entremezclaban con las del ojo intacto en un patrón de columnas organizadas en franjas que parecían la piel de una cebra. Cada banda oscura correspondía a las columnas de neuronas vistas desde arriba cuyas conexiones procedían del ojo destruido; es decir, columnas de dominancia ocular que respondían preferentemente a ese ojo. Las bandas claras eran las columnas del otro ojo, el intacto. Las aferencias procedentes de los dos ojos se combinan gracias a esas columnas de predominio ocular, paso necesario para la percepción de la profundidad.

La tercera gran aventura de sus estudios fueron los estudios de deprivación sensorial. El procedimiento consistía en tapar un ojo durante unos días a un animal recién nacido y el sorprendente resultado era que, ante la falta de estímulos, las neuronas corticales que en condiciones normales responderían selectivamente a esa información, dejaban de funcionar y acababan degenerando. A su vez, las zonas donde proyectaba el ojo sano se expandían para ocupar las zonas corticales que normalmente habrían recibido información del ojo tapado y ahora estaban «vacantes». Pasado unos días, aquello se estabilizaba y ya no se modificaba más. La conclusión es que había un período breve en el cual las conexiones existentes al nacer podían perderse o modificarse en función de los estímulos. Eso llevó a decisiones prácticas como la extracción de las cataratas en bebés durante la primera semana tras el nacimiento para que la visión se desarrollase normalmente. También fue importante para los niños con estrabismo. Todos tenemos un ojo dominante y la desviación del ojo hacía que el cerebro «desconectase» la imagen del ojo subordinado para no ver doble. originalEso podría llevar una disminución de la agudeza visual y a una pérdida de visión del ojo vago por la degeneración neuronal causada por esa falta de uso. Tapar el ojo dominante con un parche permitía asentar las conexiones del ojo vago y que no entrase en un proceso de desuso y degeneración, salvando la vista en ese ojo de miles de niños.

Lo experimentos de Hubel y Wiesel tuvieron bastante impacto en la filosofía. Tras sus estudios quedó claro que la representación del mundo exterior era un procesado cerebral, y ni siquiera podíamos saber si el mundo exterior es tal como creemos pues todo pasa por ese mecanismo, con lo que se asumen las limitaciones de nuestros sentidos y nuestro sistema nervioso. Por poner un ejemplo, algunas serpientes «ven» luz infrarroja, que para nosotros es invisible o los perros oyen sonidos que para nosotros no existen. El paisaje visual de la víbora o el sonoro del perro, y no digamos ya el olfatorio, es sin duda distinto del nuestro y no dejan de ser la realidad.

También acabó con muchas explicaciones místicas sobre el cerebro. El procesamiento cerebral se podía descomponer en procesos sencillos, la «mente» ese concepto etéreo y ligeramente espiritual, parecía ser simplemente el resultado de la actividad cerebral. Poco después de que les dieran el Nobel, Hubel dijo:

Existía el mito que el cerebro no se podía entender a sí mismo. Se comparaba a un hombre intentado elevarse tirando de los cordones de sus zapatos. Nosotros pensamos que era una tontería. El cerebro puede estudiarse igual que puede estudiarse el riñón.

El premio Nobel fue concedido a Hubel y Wiesel por sus «descubrimientos en relación con el procesamiento de información en el sistema visual» aunque parece evidente que el alcance de su investigación fue mucho mayor. Kandel, otro premio Nobel, dijo que los experimentos de H&W, como algunos les llamaban, junto a los de Mountcastle eran el avance más importante en la comprensión del cerebro desde los trabajos de Ramón y Cajal.

Aquí puedes ver un experimento de Hubel y Wiesel y oír a la neurona disparando ante distintos tipos de estímulos visuales en la retina

 

Para leer más:

  • Fehlhaber K (2014) Hubel and Wiesel & the Neural Basis of Visual Perception. Knowing Neurons. http://knowingneurons.com/2014/10/29/hubel-and-wiesel-the-neural-basis-of-visual-perception/
  • Hubel D (1981) Evolution of ideas on the primary visual cortex, 1955-1978: a biased historical account. Discurso del premio Nobel. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1981/hubel-lecture.pdf
  • Wurtz RH (2009) Recounting the impact of Hubel and Wiesel. J Physiol 587(Pt 12): 2817–2823.