Un modelo matemático revela los secretos de la visión

08, noviembre, 2019 / Mirada particular / Sin comentarios

La visión humana encierra un gran misterio. Gran parte de lo que vemos lo evocamos en nuestra cabeza pero, en realidad, el sistema visual del cerebro recibe muy poca información del exterior. Dos matemáticos y un neurocientífico han creado el primer modelo anatómicamente preciso que explica cómo puede producirse la visión.

La matemática de la Universidad de Nueva York, Lai-Sang Young, explica que “muchas de las cosas que creemos ver, realmente nos las estamos inventando”. Por desgracia, los estudios anatómicos existentes no revelan por sí solos cómo crea el cerebro estas imágenes y una nueva investigación parece abrir una nueva vía en la que la clave está en las matemáticas.

Robert Shapley, neurocientífico, y los matemáticos Logan Chariker y Lai-Sang Young están creando un modelo matemático que unifica años de experimentos biológicos y explica la manera en que el cerebro genera elaboradas reproducciones visuales del mundo, a partir de una información visual escasa. A través de un modelo que incorpora los elementos básicos de la visión, uno a uno, explican cómo interaccionan las neuronas de la corteza visual para detectar los bordes de los objetos y los cambios de contraste.

¿Qué sabemos?

Hay algunos aspectos de la visión que sabemos a ciencia cierta. El ojo actúa como una lente, recibe luz del mundo exterior y proyecta una réplica a escala de nuestro campo visual sobre la retina, conectada con muy pocas conexiones a la corteza visual y que se encuentra en la parte trasera del ojo. Por ejemplo, para un área visual unas cuatro veces menor que la luna llena, solo hay alrededor de diez células nerviosas (NGL) que conecten la retina con la corteza (la única vía que transmite la información visual del mundo exterior al cerebro). Y estas células no solo son escasas, sino que tampoco pueden hacer demasiadas cosas: se limitan a enviar un impulso a la corteza visual cuando detectan un cambio de oscuro a claro, o viceversa, en su minúscula sección del campo visual.

Tanto con tan poco

Nuestro mundo visual bombardea nuestra retina con datos, pero el cerebro solo puede apoyarse en la exigua señal de una pequeña colección de células. Es decir, no es el cerebro el que hace la foto sino la retina y de la retina a la corteza visual pasa muy poca información. En cambio, la corteza visual tiene una gran densidad de células. Por cada 10 neuronas del NGL que retornan de la retina, hay 4000 neuronas en la «capa de entrada» de la corteza visual, y muchas más en el resto. Así pues, es el cerebro el que procesa los escasos datos visuales que recibe y el reto está en descifrar cómo logra hacer tanto con tan poco.

Las células del NGL envían a la corteza un tren de impulsos eléctricos con una magnitud de una décima de voltio y una duración de un milisegundo, lo que desencadena una cascada de interacciones neuronales. Según Young, las reglas que gobiernan esas interacciones son «infinitamente más complejas» que las que nos encontramos en otros sistemas físicos más familiares.

Cada neurona recibe al mismo tiempo las señales de otros cientos de neuronas. Algunas de estas señales empujan a la neurona a activarse. Otras la refrenan. A medida que una neurona recibe impulsos eléctricos de estas neuronas excitadoras e inhibidoras, el voltaje a través de su membrana fluctúa. La neurona sólo se activa cuando ese voltaje (su «potencial de membrana») supera un cierto valor umbral, pero es casi imposible predecir cuándo sucederá eso. Así pues, la corteza visual es una espiral de bucles y más bucles de retroalimentación.

En experimentos de laboratorio, los investigadores han expuesto a primates a estímulos visuales sencillos: patrones en blanco y negro que varían en cuanto al contraste o la dirección en la que entran en el campo visual para estudiar los impulsos nerviosos producidos en respuesta a estos estímulos, mediante electrodos conectados a su corteza visual.

Actualmente, Young, Shapley y Chariker están tratando de añadir sensibilidad direccional a su modelo, lo que serviría para explicar cómo reconstruye la corteza visual la dirección en que se mueven los objetos a través de nuestro campo visual. Después de eso, comenzarán a intentar entender el modo en que la corteza visual reconoce patrones temporales en los estímulos visuales. Con ello esperan descifrar, por ejemplo, por qué podemos percibir los destellos de un semáforo que parpadea, mientras que en una película no vemos la acción fotograma a fotograma.

Si bien su modelo está lejos de revelar completamente el misterio de la visión, constituye un paso en la dirección correcta porque es el primer modelo que intenta descifrar la visión de una manera plausible, desde el punto de vista biológico.

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*Fuente: Investigación y Ciencia