Científicos descubren un circuito cerebral oculto que transforma la visión

La visión es fundamental para guiar las acciones de los animales, pero una nueva investigación del MIT demostró que esta relación es bidireccional. El estudio, publicado el 25 de noviembre en la revista Neuron, reveló que el comportamiento y las condiciones internas influyen directamente en cómo se procesa la información visual. En ratones, la corteza prefrontal, que actúa como un centro principal de control ejecutivo, envía señales personalizadas a las regiones involucradas en la visión y el movimiento. Estas señales ajustan el funcionamiento de dichas áreas dependiendo de factores como el nivel de alerta del ratón y su actividad física.

"Esa es la conclusión principal de este trabajo: hay proyecciones específicas para un impacto específico", afirmó el autor principal Mriganka Sur, profesor Paul y Lilah Newton en el Picower Institute for Learning and Memory y en el Departamento de Ciencias Cerebrales y Cognitivas del MIT.

Investigando señales prefrontales personalizadas

Los científicos han propuesto durante mucho tiempo, incluyendo al colega de Sur, Earl K. Miller, que la corteza prefrontal puede guiar la actividad de áreas más posteriores del cerebro. Mientras que la evidencia anatómica ha respaldado esta idea, el objetivo del nuevo estudio fue determinar si la corteza prefrontal envía un tipo de señal amplia o si elabora mensajes distintos para diferentes regiones objetivo. La autora principal y investigadora postdoctoral del laboratorio de Sur, Sofie Ährlund-Richter, también buscó identificar qué neuronas específicas reciben estas señales y cómo la comunicación influye en el procesamiento posterior.

Diferentes regiones prefrontales cumplen roles distintos

El equipo identificó varios nuevos hallazgos. Dos áreas de la corteza prefrontal, la corteza orbitofrontal (ORB) y el área cingulada anterior (ACA), fueron encontradas como responsables de transmitir información sobre la excitación y el movimiento a otras dos regiones: la corteza visual primaria (VISp) y la corteza motora primaria (MOp). Estos mensajes parecen tener efectos únicos. Por ejemplo, una mayor excitación incrementó la tendencia del ACA a ayudar a VISp a agudizar sus representaciones visuales. Sin embargo, ORB solo se volvió influyente cuando la excitación era muy alta, y su participación pareció disminuir la claridad de la codificación visual. Según Ährlund-Richter, el ACA puede ayudar al cerebro a centrarse en detalles visuales potencialmente significativos a medida que aumenta la excitación, mientras que ORB puede actuar para reducir la atención a estímulos distractores o excesivamente intensos.

"Estas dos subregiones de la PFC se equilibran entre sí", dijo Ährlund-Richter. "Mientras una mejora los estímulos que pueden ser más inciertos o difíciles de detectar, la otra atenúa los estímulos fuertes que pueden ser irrelevantes".

Mapeo y monitoreo de circuitos cerebrales

Para comprender mejor las vías involucradas, Ährlund-Richter realizó un detallado trazado anatómico de las conexiones que ACA y ORB forman con VISp y MOp. En experimentos adicionales, los ratones corrieron libremente en una rueda mientras observaban imágenes estructuradas o películas naturalistas a diferentes niveles de contraste. En ciertos momentos, pequeños soplos de aire aumentaron el nivel de excitación de los animales. A lo largo de estas tareas, los investigadores registraron la actividad de neuronas en ACA, ORB, VISp y MOp, prestando especial atención a las señales que viajaban a lo largo de los axones que conectan las áreas prefrontales y posteriores.

El trabajo de trazado mostró que ACA y ORB se comunican con una variedad de tipos celulares en sus regiones objetivo en lugar de una única clase celular. También se conectan en patrones espaciales distintos. En VISp, ACA se dirigió principalmente a la capa 6, mientras que ORB se comunicó principalmente con la capa 5.

Cómo la excitación y el movimiento alteran el procesamiento visual

Cuando el equipo examinó la información transmitida y la actividad neuronal, surgieron varios patrones consistentes. Las neuronas de ACA transmitieron información visual más detallada que las neuronas de ORB y fueron más sensibles a los cambios en el contraste. La actividad de ACA también se correlacionó estrechamente con el nivel de excitación, mientras que ORB solo respondió cuando la excitación alcanzó un umbral alto. Al comunicarse con MOp, ambas regiones transmitieron información sobre la velocidad de carrera. Sin embargo, al comunicarse con VISp, solo indicaron si el ratón estaba en movimiento o quieto. Las dos regiones prefrontales también llevaron información sobre la excitación y una pequeña cantidad de detalle visual a MOp.

Para observar cómo esta comunicación afecta el procesamiento visual, los investigadores bloquearon temporalmente las vías que conducen de ACA y ORB a VISp. Esto les permitió medir cómo respondían las neuronas de VISp sin estas entradas. Descubrieron que ACA y ORB ejercían efectos específicos y opuestos sobre la codificación visual dependiendo del movimiento y el nivel de excitación del ratón.

Un modelo especializado de retroalimentación prefrontal

"Nuestros datos apoyan un modelo de retroalimentación de la PFC que está especializado tanto a nivel de subregiones de la PFC como de sus objetivos, permitiendo que cada región dé forma selectivamente a la actividad cortical específica del objetivo en lugar de modularla de manera global", escribieron los autores en Neuron.

Además de Sur y Ährlund-Richter, el equipo de investigación incluyó a Yuma Osako, Kyle R. Jenks, Emma Odom, Haoyang Huang y Don B. Arnold. El trabajo fue apoyado por una beca postdoctoral de la Fundación Wenner-Gren, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Freedom Together.