Aunque no se tenga a mano un reloj, no es difícil calcular con exactitud razonable la duración de 1 segundo. Es el tiempo aproximado de un latido del corazón o de un parpadeo lento de los ojos. Estos breves intervalos suelen pasar desapercibidos en la vida cotidiana, pero son cruciales para la supervivencia. Pueden representar la diferencia entre la captura o no de una presa o cruzar una calle con seguridad. Si son tan importantes, ¿cómo aprende el cerebro a cronometrarlos? En estudios realizados con ratas, investigadores de la Universidad Federal del ABC (UFABC) están ayudando a descifrar cómo actúan las diferentes regiones del cerebro para codificar el paso de estos breves lapsos de tiempo.
Los resultados más recientes, publicados en septiembre de 2022 en la revista eLife, revelaron algo inesperado: el conteo de estos breves intervalos no es una actividad estática, que realice en forma permanente una sola área del cerebro, tal como lo sugerían estudios anteriores. En lugar de ello, el equipo coordinado por el neurocientífico Marcelo Bussotti Reyes comprobó que al menos dos regiones del cerebro parecen actuar de manera coordinada y consecutiva en esta tarea.
Una de ellas es la corteza prefrontal medial. Esta capa superficial, situada en la parte delantera de la cabeza y asociada a la planificación de las acciones, al control de los impulsos y a la identificación de reglas, actúa en las etapas iniciales aprendiendo a identificar la duración del intervalo. Sin embargo, a medida que este conocimiento se consolida, el cronometraje pasa a ser ejecutado por una región más profunda: el núcleo estriado dorsal, responsable de la ejecución automática de las tareas aprendidas.
En el Centro de Matemática, Computación y Cognición de la UFABC, Bussotti Reyes y sus colaboradores observaron una migración de la actividad de un área cerebral a otra al registrar la actividad de las neuronas de las ratas durante el aprendizaje de una tarea sencilla. En el interior de una caja de acrílico, los roedores debían colocar el hocico en un pequeño orificio que contenía un sensor infrarrojo y mantenerlo ahí durante al menos 1,5 segundos (s). Si el animal retiraba el hocico antes de ese lapso, no recibía nada. Empero, cuando aguardaba al menos el tiempo predeterminado por los científicos, recibía una grata recompensa: unas gotas de una solución de agua con azúcar.
En los primeros intentos, los roedores fallaban. Sacaban el hocico antes de tiempo y se quedaban sin la recompensa, o bien se demoraban demasiado y perdían la oportunidad de tomar agua con azúcar más a menudo. Solo acertaban de vez en cuando. Sin embargo, al cabo de una hora aproximadamente, desde el inicio del entrenamiento, habían aprendido cuánto debían esperar y se convirtieron en hábiles ganadores de la recompensa.
Una evolución tan rápida en el desempeño de la tarea les proporcionó a los investigadores la rara oportunidad de investigar cómo actuaban las dos regiones cerebrales sabidamente relacionadas con la percepción del paso del tiempo en tres etapas de la prueba: antes, durante y después del aprendizaje. Aunque muchos de los experimentos de percepción del paso del tiempo se hacen con animales, casi nunca es posible monitorear la actividad cerebral en todas estas etapas. El principal obstáculo es técnico. El perfeccionamiento en la ejecución de las tareas suele tardar días y, durante ese tiempo, los electrodos implantados en el cerebro pueden moverse de su posición o perder sensibilidad a causa de la cicatriz que se forma alrededor. “Ello nos impedía saber si estábamos registrando siempre la misma población de neuronas”, explica Bussotti Reyes. “En el experimento actual, en el que los animales aprenden en menos de una hora, tenemos la seguridad de que estamos siguiendo en todo momento la actividad de las mismas neuronas”, añade.
¿Qué sucede en el cerebro durante el aprendizaje de la tarea? En la fase inicial, antes de que los animales se vuelvan expertos, la activación ocurre solamente en la corteza prefrontal. A medida que se aproxima el momento en el que pueden sacar el hocico del orificio y obtener el premio azucarado, las neuronas de esa región cerebral comienzan a ser activadas una cantidad mayor de veces por segundo. Los neurocientíficos llaman a este patrón “señal en rampa”, debido a la recta inclinada que aparece representada en el gráfico que muestra la cantidad de veces que cada población neuronal es activada en función de un determinado lapso de tiempo. “Sorprendentemente, la señal en rampa o función rampa aparecía en la corteza prefrontal desde las primeras tentativas, antes de que el animal aprendiera a esperar el tiempo estipulado”, comenta la ingeniera biomédica Gabriela Chiuffa Tunes, una de las autoras de los experimentos, realizados durante su doctorado bajo la dirección de Bussotti Reyes.
A medida que los roedores adquirían experiencia, la señal dejaba de observarse en la corteza prefrontal y pasaba a detectarse en el núcleo estriado. “Inicialmente pensamos que sería consecuencia de una pérdida de calidad del registro”, recuerda Bussotti Reyes. También cabía la posibilidad de que el efecto observado fuera algo casual.
La confirmación de que la codificación de la información sobre el tiempo había migrado de una zona a otra del cerebro llegó tras otro experimento. Chiuffa Tunes y un colega suyo, el ingeniero biomédico Eliezyer Fermino de Oliveira, inyectaron en la corteza prefrontal de los roedores, y posteriormente en el núcleo estriado, una dosis de muscimol, un componente psicoactivo extraído de una variedad de hongo, que induce una disminución temporal de la actividad de las neuronas. Cuando la corteza cerebral era inactivada al comienzo de los experimentos, los animales no conseguían aprender a esperar el tiempo establecido de 1,5 s y obtenían malos resultados en la tarea. En cambio, si el muscimol se aplicaba en la corteza prefrontal después de que los roedores habían adquirido experiencia, seguían teniendo éxito en la obtención de la recompensa. Sin embargo, la aplicación de muscimol en el cuerpo estriado cuando las ratas ya sabían cuánto tiempo debían aguardar revertía el efecto del aprendizaje y empezaban a fallar al momento de sacar el hocico del orificio.
“Estos experimentos son sorprendentes porque los autores detectan el aprendizaje temprano y demuestran que, aunque están directamente conectados, la corteza prefrontal y el núcleo estriado desempeñan diferentes roles”, le dijo a Pesquisa FAPESP el neurólogo estadounidense Nandakumar Narayanan, de la Universidad de Iowa (EE. UU.), quien no participó del estudio.
“Este trabajo es interesante porque sugiere que, al principio del aprendizaje, la información sobre el tiempo es codificada por las neuronas de un área ejecutiva altamente evolucionada, la corteza prefrontal y, tras el aprendizaje, por las neuronas de una región clásicamente asociada a los comportamientos automáticos y a la formación de hábitos”, dice el neurocientífico Adriano Tort, del Instituto del Cerebro de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN). “Es un hallazgo importante que debe ser corroborado por otros grupos. Como el número de animales estudiados fue pequeño, probablemente debido a la complejidad de la investigación, los análisis estadísticos son limitados”, explica el neurocientífico.
“Los resultados actuales aportan evidencias de que el conteo del tiempo no es realizado en forma continua por la misma región del cerebro, al menos en los intervalos más breves”, dice el investigador de la UFABC. En este sentido, refuerzan una idea surgida en las últimas décadas en el ámbito de la neurociencia, que postula que, para los intervalos considerados cortos, el registro del paso del tiempo ocurre de manera difusa, realizado por diferentes regiones del cerebro. “Nuestra hipótesis actual plantea que la corteza prefrontal ‘entrena’ a otras regiones y luego sale de escena”.
Proyectos
1. Registro electrofisiológico y manipulación de la actividad neuronal de la corteza prefrontal de ratas durante el aprendizaje temporal (nº 16/18914-7); Modalidad Beca de doctorado directo; Investigador responsable Marcelo Bussotti Reyes (UFABC); Beneficiaria Gabriela Chiuffa Tunes; Inversión R$ 118.514,56.
2. Caracterizaciones de la actividad electrofisiológica de la vía prefrontal-estriatal en el aprendizaje de tareas temporales (nº 16/05473-2); Modalidad Beca de maestría; Investigador responsable Marcelo Bussotti Reyes (UFABC); Beneficiario Eliezyer Fermino de Oliveira; Inversión R$ 68.592,18.
3. Neurociencia computacional y de sistemas (nº 18/20277-0); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Antonio Carlos Roque da Silva Filho (USP – Ribeirão Preto); Inversión R$ 74.245.
4. Representación de la información temporal en la actividad neuronal (nº 17/25161-8); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable André Mascioli Cravo (UFABC); Inversión R$ 130.330,72.
Artículos científicos
TUNES, G. C. et al. Time encoding migrates from prefrontal cortex to dorsal striatum during learning of a self-timed response duration task. eLife. 28 sept. 2022.
BUHUSI, C. V. et al. Inactivation of the medial-prefrontal cortex impairs interval timing precision, but not timing accuracy or scalar timing in a peak-interval procedure in rats. Frontiers in Integrative Neuroscience. 25 jun. 2018.
