Investigadores del Janelia Research Campus del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI) desarrollaron un novedoso sistema que combina la realidad virtual y una interfaz cerebro-máquina para sondear los pensamientos internos de las ratas.
Descubrieron que los animales pueden pensar en lugares y objetos que no están justo delante de ellos, utilizando sus pensamientos para imaginar que caminan hacia un lugar o mueven un objeto remoto a un punto específico.
El trabajo fue publicado en la revista Science.
Las ratas son capaces de imaginar lugares u objetos
Al igual que los humanos, cuando los roedores experimentan lugares y acontecimientos, se activan patrones específicos de actividad neuronal en el hipocampo, una zona del cerebro responsable de la memoria espacial.
El nuevo estudio descubre que las ratas pueden generar voluntariamente estos mismos patrones de actividad y hacerlo para recordar lugares remotos alejados de su posición actual. ”En efecto, la rata puede activar la representación de lugares del entorno sin desplazarse hasta ellos”, afirmó Chongxi Lai, postdoctorando en los laboratorios Harris y Lee y primer autor de un artículo que describe los nuevos hallazgos.
Aunque su cuerpo físico esté fijo, sus pensamientos espaciales pueden ir a un lugar muy remoto. Esta capacidad de imaginar lugares alejados de la posición actual es fundamental para recordar sucesos pasados e imaginar posibles escenarios futuros.
De qué sirve este estudio
El nuevo trabajo demuestra que los animales, al igual que los humanos, poseen una forma de imaginación, según los autores del estudio. ”Imaginar es una de las cosas más extraordinarias que puede hacer el ser humano. Ahora hemos descubierto que los animales también pueden hacerlo, y hemos encontrado una forma de estudiarlo”, subrayó Albert Lee, antiguo jefe de grupo en Janelia y ahora investigador del HHMI en el Centro Médico Beth Israel Deaconess.
El proyecto comenzó hace nueve años, cuando Lai llegó al Janelia como estudiante de posgrado con la idea de probar si un animal podía pensar. Su asesor, Tim Harris, investigador principal de Janelia, sugirió a Lai que caminara por el pasillo para charlar con Lee, cuyo laboratorio tenía preguntas similares.
Juntos, los laboratorios trabajaron para desarrollar un sistema que permitiera entender lo que piensan los animales: un “detector de pensamiento” en tiempo real capaz de medir la actividad neuronal y traducir su significado.
Para qué sirve el detector de pensamiento
El sistema utiliza una interfaz cerebro-máquina (IMC), que proporciona una conexión directa entre la actividad cerebral y un dispositivo externo. En el sistema del equipo, la IMC produce una conexión entre la actividad eléctrica del hipocampo de la rata y su posición en un escenario de realidad virtual de 360 grados.
El hipocampo almacena mapas mentales del mundo que intervienen en el recuerdo de acontecimientos pasados y la imaginación de escenarios futuros. El recuerdo implica la generación de patrones específicos de actividad en el hipocampo relacionados con lugares y acontecimientos. Pero nadie sabía si los animales podían controlar voluntariamente esta actividad.
El IMC permite a los investigadores comprobar si una rata puede activar la actividad del hipocampo con sólo pensar en un lugar del escenario sin ir físicamente a él, es decir, detectar si el animal es capaz de imaginar que va a ese lugar.
Una vez que desarrollaron su sistema, los investigadores tuvieron que crear el ‘diccionario de pensamiento’ que les permitiría descodificar las señales cerebrales de la rata. Este diccionario recopila cómo son los patrones de actividad cuando la rata experimenta algo, en este caso, lugares en el escenario de realidad virtual.
La rata es introducida en el sistema de RV, diseñado por Shinsuke Tanaka, investigador del laboratorio Lee. Mientras la rata camina por una cinta esférica, sus movimientos se reflejan en la pantalla de 360 grados. La rata es recompensada cuando llega a su objetivo.
Al mismo tiempo, el sistema de IMC registra la actividad del hipocampo de la rata. Los investigadores pueden ver qué neuronas se activan cuando la rata navega por la arena para alcanzar cada objetivo.
Estas señales constituyen la base de un IMC del hipocampo en tiempo real, en el que la actividad cerebral del hipocampo se traduce en acciones en la pantalla. A continuación, los investigadores desconectan la cinta y recompensan a la rata por reproducir el patrón de actividad del hipocampo asociado a la localización de un objetivo. En esta tarea, denominada “Jumper” por una película de 2008 del mismo nombre, el IMC traduce la actividad cerebral del animal en movimiento en la pantalla de realidad virtual.
Esencialmente, el animal utiliza sus pensamientos para llegar a la recompensa pensando primero adónde tiene que ir para conseguirla. Este proceso de pensamiento es algo que los humanos experimentamos con regularidad. Por ejemplo, cuando nos piden que vayamos a hacer la compra a una tienda conocida, nos imaginamos los lugares por los que pasaremos antes de salir de casa.
En la segunda tarea, la tarea ‘Jedi’ (un guiño a La Guerra de las Galaxias), la rata mueve un objeto a un lugar sólo con el pensamiento. La rata está fija en un lugar virtual, pero “mueve” un objeto hacia un objetivo en el espacio de RV controlando su actividad hipocampal, como una persona sentada en su oficina que imagina coger una taza junto a la cafetera y llenarla de café. A continuación, los investigadores cambiaron la ubicación del objetivo, exigiendo al animal que produjera patrones de actividad asociados a la nueva ubicación.
El equipo descubrió que las ratas pueden controlar con precisión y flexibilidad su actividad hipocampal, del mismo modo que probablemente lo hacen los humanos. Además, los animales son capaces de mantener esta actividad en el hipocampo durante varios segundos, un tiempo similar al que los humanos tardan en revivir hechos pasados o imaginar nuevos escenarios.
La investigación también demuestra que el IMC puede utilizarse para sondear la actividad del hipocampo, lo que proporciona un sistema novedoso para estudiar esta importante región del cerebro. Dado que la IMC se utiliza cada vez más en prótesis, este nuevo trabajo también abre la posibilidad de diseñar nuevos dispositivos protésicos basados en los mismos principios, según los autores.
