La mirada interior de los ratones: cómo los neurocientíficos ven con mayor claridad la visión humana

A pesar de la canción infantil sobre los tres murciélagos, la visión del ratón es sorprendentemente sensible. Estudiar cómo ven los ratones ha ayudado a los investigadores a descubrir detalles sin precedentes sobre cómo las células cerebrales individuales se comunican y trabajan juntas para crear una imagen mental del mundo visual.

Soy un neurocientífico que estudia cómo las células cerebrales impulsan la percepción visual y cómo estos procesos pueden fallar en condiciones como el autismo. Mi laboratorio “escucha” la actividad eléctrica de las neuronas en la parte más externa del cerebro llamada corteza cerebral, gran parte de la cual procesa información visual. El daño a la corteza visual puede provocar ceguera y otros déficits visuales, incluso cuando los ojos mismos no están dañados.

Comprender la actividad de las neuronas individuales (y cómo trabajan juntas cuando el cerebro usa y procesa información activamente) es un objetivo de larga data de la neurociencia. Los investigadores se han acercado mucho más a lograr este objetivo gracias a nuevas tecnologías dirigidas al sistema visual del ratón. Y estos hallazgos ayudarán a los científicos a ver mejor cómo funcionan los sistemas visuales de las personas.

Mente en un abrir y cerrar de ojos

Los investigadores han pensado durante mucho tiempo que la visión de los ratones era lenta y poco clara. Pero resulta que las neuronas de la corteza visual de los ratones (al igual que las de los humanos, los monos, los gatos y los hurones) requieren características visuales específicas para desencadenar la actividad y son particularmente selectivas en condiciones de vigilancia y vigilancia.

Mis colegas, yo y otras personas hemos descubierto que los ratones son particularmente sensibles a los estímulos visuales que tienen directamente delante. Esto es sorprendente, porque los ojos del ratón miran hacia afuera, no hacia adelante. Los ojos que miran hacia adelante, como los de los gatos y los primates, naturalmente tienen un área de enfoque más grande hacia adelante en comparación con los ojos que miran hacia afuera.

Esta imagen muestra neuronas en la retina del ratón: fotorreceptores de cono (rojo), neuronas bipolares (magenta) y un subtipo de neurona bipolar (verde). Brian Liu y Melanie Samuel/Baylor College of Medicine/NIH vía Flickr

Este hallazgo sugiere que la especialización del sistema visual para resaltar el campo visual frontal parece ser compartida entre ratones y humanos. Para los ratones, el enfoque visual en lo que está al frente puede ayudarlos a responder mejor a las sombras o bordes frente a ellos, ayudándolos a evitar acercarse a los depredadores o cazar y capturar mejor insectos para alimentarse.

Es importante destacar que el centro de la visión es el más afectado por el envejecimiento y muchas enfermedades visuales en los seres humanos. Dado que los ratones también dependen en gran medida de esta parte del campo visual, pueden ser modelos particularmente útiles para el estudio y tratamiento de la discapacidad visual.

Mil votos desencadenan unas elecciones complicadas

Los avances tecnológicos han acelerado enormemente la comprensión científica de la visión y el cerebro. Ahora los investigadores pueden registrar de forma rutinaria la actividad de miles de neuronas al mismo tiempo y combinar estos datos con vídeos en tiempo real de los movimientos de la cara, las pupilas y el cuerpo del ratón. Este método puede mostrar cómo el comportamiento afecta la actividad cerebral.

Es como pasar años escuchando una grabación granulada de una sinfonía con un solista destacado, pero ahora tienes una grabación impecable donde puedes escuchar a cada músico con una lectura nota por nota de cada movimiento de los dedos.

Utilizando estos métodos mejorados, investigadores como yo estudiamos cómo ciertos tipos de neuronas trabajan juntas durante comportamientos visuales complejos. Esto incluye analizar cómo factores como el movimiento, el estado de alerta y el entorno afectan la actividad visual en el cerebro.

Por ejemplo, mi laboratorio y yo descubrimos que la velocidad de las señales visuales es muy sensible a las acciones posibles en el entorno físico. Si el ratón se encuentra sobre un disco que le permite correr, las señales visuales viajan a la corteza más rápido que si el ratón ve las mismas imágenes mientras descansa en un tubo estacionario, incluso cuando el ratón está completamente quieto en ambas condiciones.

Para vincular la actividad eléctrica con la percepción visual, los investigadores también deben preguntarle al ratón qué cree que está viendo. ¿Cómo hicimos esto?

En la última década, los investigadores han desacreditado viejos mitos sobre el aprendizaje y el comportamiento de los ratones. Al igual que otros roedores, los ratones también son sorprendentemente inteligentes y pueden aprender a “comunicar” a los investigadores los eventos visuales que perciben a través de su comportamiento.

Por ejemplo, los ratones pueden aprender a soltar una palanca para indicar que han detectado un patrón más brillante o inclinado. Pueden girar la rueda de Lego hacia la izquierda o hacia la derecha para mover el estímulo visual al centro de la pantalla como en un videojuego, y pueden dejar de correr sobre la rueda y lamer el chorro de agua cuando descubren que la escena visual ha cambiado repentinamente.

Se puede entrenar a ratones para que beban agua como una forma de “decir” a los investigadores que ven algo. felikmizioznikov/iStock vía Getty Images Plus

Los ratones también pueden utilizar señales visuales para centrar su procesamiento visual en partes específicas del campo visual. Como resultado, pueden responder con mayor rapidez y precisión a los estímulos visuales que aparecen en esas regiones. Por ejemplo, mi equipo y yo descubrimos que una imagen visual débil en el campo visual periférico es difícil de detectar para los ratones. Pero cuando lo notan (y nos lo dicen lamiendo el chorro de agua), sus respuestas posteriores son más rápidas y precisas.

Estas mejoras tienen un costo: si una imagen aparece inesperadamente en una ubicación diferente, los ratones son más lentos y es menos probable que respondan a ella. Estos hallazgos se parecen a los encontrados en estudios de atención espacial en humanos.

Mi laboratorio también descubrió que ciertos tipos de neuronas inhibidoras (células cerebrales que impiden que la actividad se propague) controlan fuertemente la fuerza de las señales visuales. Cuando activamos ciertas neuronas inhibidoras en la corteza visual de los ratones, pudimos “borrar” efectivamente su percepción de imágenes.

Estos experimentos también revelan que los límites entre la percepción y la acción en el cerebro están mucho menos separados de lo que se pensaba anteriormente. Esto significa que las neuronas visuales responderán de manera diferente a la misma imagen en formas que dependen de las circunstancias del comportamiento; por ejemplo, las respuestas visuales difieren si la imagen se detecta con éxito, si aparece mientras el ratón se mueve o si aparece cuando el ratón tiene sed o está hidratado.

Comprender cómo los diferentes factores determinan la rapidez con la que las neuronas corticales responden a las imágenes visuales requerirá avances en las herramientas computacionales que puedan separar la contribución de estas señales conductuales de las visuales. Los investigadores también necesitan tecnologías que puedan aislar cómo tipos específicos de células cerebrales transportan y comunican estas señales.

Nubes de datos que rodean el mundo

Este aumento en la investigación sobre el sistema visual del ratón ha llevado a un aumento significativo en la cantidad de datos que los científicos no sólo pueden recopilar en un solo experimento, sino también compartir públicamente entre ellos.

Los principales centros de investigación nacionales e internacionales centrados en descubrir los circuitos del sistema visual del ratón han liderado el camino en la introducción de nuevas herramientas ópticas, eléctricas y biológicas para medir un gran número de neuronas visuales en acción. Además, ponen todos los datos a disposición del público, lo que inspira esfuerzos similares en todo el mundo. Esta colaboración acelera la capacidad de los investigadores para analizar datos, replicar hallazgos y realizar nuevos descubrimientos.

Los avances tecnológicos en la recopilación e intercambio de datos pueden hacer que la cultura del descubrimiento científico sea más eficiente y transparente, un objetivo importante de la informática de datos de neurociencia en los años venideros.

Si tenemos en cuenta los últimos 10 años, creo que tales descubrimientos son sólo la punta del iceberg, y que el poderoso y no tan murciélago desempeñará un papel destacado en la búsqueda continua de la comprensión de los misterios del cerebro humano.