Decir «¡Ratas!» no representa lo que piensan los defensores del diseño. Representa una reacción plausible de los evolucionistas ante la acumulación de evidencia de información compleja y especificada (códigos) en toda la biología. Aquí hay otro ejemplo asombroso.
Nicholas Bush, Sara Solla y Mitra Hartmann, escribiendo en PNAS, publicaron resultados de experimentos sobre la información que las ratas y otros animales reciben de sus bigotes. El título indica que la información está en código: «Codificación continua y multidimensional de estímulos táctiles complejos en 3D por neuronas sensoriales primarias del sistema vibrissal».
Las neuronas sensoriales primarias (NSP) de un animal traducen la información sobre el entorno en señales neuronales que permiten la percepción y la acción. Si bien se sabe mucho sobre las respuestas NSP visuales y auditivas a estímulos complejos, las neuronas somatosensoriales se han caracterizado por estímulos simplificados y repetibles. Por tanto, el conocimiento de la capacidad de representación somatosensorial de la NSP sigue siendo incompleto. Usamos el sistema de bigotes de roedores para examinar cómo se representa la información mecánica táctil en las NSP del ganglio trigémino (Vg) cuando los bigotes reciben una estimulación tridimensional compleja. En contraste con los códigos propuestos en los que subpoblaciones de neuronas Vg codifican características de estímulo seleccionadas, nuestros resultados muestran que las neuronas Vg individuales representan características de estímulo múltiples de manera continua y en mosaico, codificando así grandes regiones de un espacio sensorial complejo. [Énfasis añadido.]
Un «cuello de botella de información»
Todos los sentidos se enfrentan a un «cuello de botella de información» de sus entradas: fotones en los ojos, ondas de presión en los oídos, narices químicas, etc., que deben filtrar la avalancha de entradas en cantidades óptimas de información. La codificación por ojos y oídos se ha descrito en la investigación durante muchos años, pero se sabe menos sobre la información táctil detectada por los sistemas vibrisales (es decir, bigotes). El equipo de Northwestern aportó experiencia en neurociencia, física, fisiología e ingeniería al problema. Lo que indica su investigación es que los bigotes codifican su información de manera diferente a otros órganos sensoriales. El espacio sensorial de un bigote es extenso, continuo y multidimensional en alcance. ¿Cómo codifica una neurona una información tan dinámica y tan amplia?
Los resultados muestran que las neuronas Vg individuales representan simultáneamente múltiples características mecánicas de un estímulo, no codifican preferentemente los componentes principales de los estímulos y representan variaciones continuas y en mosaico de toda la información mecánica disponible. Estos resultados contrastan directamente con los códigos propuestos en los que subpoblaciones de neuronas Vg codifican características de estímulo seleccionadas. En cambio, es probable que las neuronas Vg individuales superen el cuello de botella de la información al codificar grandes regiones de un espacio sensorial complejo. Esta representación en mosaico y multidimensional propuesta en el Vg limita directamente los cálculos realizados por más neuronas centrales de la vía vibrissotrigeminal.
El equipo amplió los métodos más simples que midieron solo pruebas unidimensionales o 2-D en mediciones 3-D más realistas. Lo que encontraron es que ingresa mucha más información de la que se percibe, mucho más que una simple respuesta de encendido / apagado al tacto.
Cuando se caracteriza a través del conjunto de estímulos naturalistas expandido empleado aquí, las propiedades de respuesta de las neuronas Vg revelan una estructura de codificación fundamentalmente diferente a la que generalmente se aprecia. Encontramos que las neuronas Vg están ampliamente sintonizadas a través de múltiples características de estímulo, incluida la fuerza, el momento de flexión y la rotación, así como la dirección de la estimulación.
El problema del «cuello de botella de información» se vuelve correspondientemente más agudo en un conjunto de bigotes distribuidos por la cara. En la visión, los fotones se proyectan en una curva; se obtiene información adicional de la visión binocular. En la audición, las ondas de presión convergen en la ventana oval y luego se someten a un análisis de frecuencia dentro de la cóclea; dos oídos agregan información estéreo. Sin embargo, con el tacto, hay más información en la fuente: datos sobre posición, fuerza, textura, rotación y dirección. Las neuronas sensoriales en los bigotes deben poder resolver todo esto antes de enviar señales codificadas al cerebro.
Las neuronas deben traducir la información analógica continua en la fuente (p. Ej., Longitud de arco y dirección) en representaciones digitalizadas (es decir, disparos de neuronas). El equipo midió una frecuencia más alta de disparos de neuronas a medida que se desviaba un bigote. Esa es una forma de digitalizar una señal analógica, pero no es suficiente para detectar toda la información en la fuente. Sus medidas llevaron a
una característica subestimada de las respuestas de Vg: cuando la dirección y la longitud del arco covarían de forma continua y simultánea, como durante el contacto natural, la velocidad de disparo de Vg se rige conjuntamente por ambos parámetros. Estos resultados sugieren que la respuesta de una sola neurona no puede codificar sin ambigüedades ninguna de estas dos características de estímulo y que se requiere una lectura de la población para eliminar la ambigüedad.
Eso es lo que proporciona una población de bigotes: la capacidad de desambiguar (desenredar) las características que se superponen. Los bigotes adyacentes se dispararán a diferentes velocidades, proporcionando información adicional para la desambiguación.
Al igual que en la audición, las neuronas táctiles pueden experimentar una «adaptación» a fuentes que no varían, para no inundar el cerebro con un parloteo constante e inútil. Además, como en las células ciliadas cocleares, algunas neuronas vibrisales se adaptan rápidamente y otras lentamente. Este equipo encontró una categorización menos discreta entre las neuronas de los bigotes que se adaptan rápidamente (AR) o que se adaptan lentamente (AL); encontraron “categorías de adaptación” más intermedias en todo el espectro.
Espacio de estímulo de 16 dimensiones
Sus mediciones tridimensionales no pudieron caracterizar la capacidad sensorial completa de las neuronas del bigote. Establecieron que «las neuronas Vg codifican múltiples características de estímulo y que las características de los estímulos en sí mismas están fuertemente correlacionadas».
Los mapas de sintonización unidimensionales y bidimensionales de la Fig. 4 A y B proporcionan intuición para la representación neuronal de características de estímulo seleccionadas, pero no llegan a describir la respuesta neuronal completa a los estímulos presentados. Una descripción completa requeriría conocer la tasa de disparo promedio en respuesta a cualquier punto arbitrario en el espacio de estímulo y, por lo tanto, ajustar un histograma de sintonía como los de la Fig. 4A al espacio de estímulo de 16 dimensiones completo. Este objetivo no se puede lograr mediante una exploración sistemática y exhaustiva y requiere un enfoque de modelado.
¿Sabías que el sentido táctil de una rata requiere analizar un espacio de estímulo de 16 dimensiones? ¿Cómo encaja ese cálculo en el cerebro de una rata? Tratar de simplificar en un modelo lo que sucede en los bigotes de las ratas rápidamente se adentra en las malas hierbas matemáticas. Sus «modelos lineales generalizados» que analizaban pares de características covariantes mostraron cierto éxito. Sin embargo, admiten que solo (por así decirlo) han arañado la superficie.
Las propiedades de codificación de las neuronas Vg pueden cuantificarse completamente solo si los estímulos empleados abarcan la extensión del espacio de estímulos completo. Sin pretender haber logrado la presentación completa de un espacio de estímulo naturalista que incorpora la estructura espacial y temporal completa de los objetos naturales disponibles para un animal despierto, el presente trabajo da un paso significativo hacia una comprensión más completa de la codificación vibrisotactil al relacionar la actividad neuronal con el bigote y los movimiento en tres dimensiones espaciales.
Ahora está claro (al menos) que «las neuronas Vg individuales codifican simultáneamente múltiples características del estímulo» y que «las características están representadas en una población y pueden ser extraídas por más neuronas centrales que integran información a través de muchas neuronas Vg».
Un teléfono con pantalla táctil
El movimiento de un solo bigote se siente en el folículo del bigote. En los teléfonos con pantalla táctil, hay variaciones en la posición de los dedos, la velocidad, los toques repetidos y la fuerza que afectan la aplicación a través de códigos preprogramados. De manera similar, la base de un bigote en el folículo puede detectar múltiples piezas de información simultáneamente. Esto les da «una sintonía amplia y difusa con las características mecánicas», dicen los autores. Pero solo midieron las respuestas de los bigotes pasivos. ¿Qué otra información está codificada por el animal vivo que muestrea activamente su espacio táctil?
En el presente estudio, las respuestas neuronales probablemente estén dominadas por las rotaciones del complejo bigote-folículo porque los músculos que sostienen los bigotes se relajan cuando se anestesia al animal. Durante el batido activo, los músculos se contraen alrededor del folículo, resistiendo la rotación pasiva dentro de la piel y haciendo que el bigote se doble en lugar de rotar. Además, los aumentos de la presión arterial en animales despiertos tenderán a endurecer el folículo cerca del seno anular, aumentando los efectos de la deformación del bigote.
Los investigadores consideraron la posibilidad de que los bigotes de las ratas representen su espacio táctil a través de «un código denso o casi denso». Un código denso, que representa la mayor cantidad de información con la menor cantidad de bits posibles en la fuente, tendría varias ventajas, como la robustez frente al ruido y la pérdida de neuronas. La población de bigotes, cada uno sensible a muchos tipos de estímulos, también podría «enlosar» la información en el cerebro sin abrumarlo. “De esta manera”, dicen, “la población Vg podría representar estímulos arbitrarios en el espacio de todos los estímulos posibles” dando a las neuronas centrales la tarea de extraer la información más útil en la fuente antes de enviarla al cerebro.
Un desafío para el darwinismo
Se puede apreciar a lo que se enfrentan los científicos al intentar comprender un sistema tan rico en información:
Las neuronas Vg deben representar una amplia gama de estímulos mecánicos en múltiples contextos de comportamiento, incluido el tacto activo y pasivo, la discriminación de texturas, las colisiones con objetos, el batido sin contacto y la exploración del flujo de aire. Aunque no es posible muestrear todas las velocidades de los bigotes y los patrones de vibración, el presente trabajo aprovecha las técnicas de estimulación manual y videografía estéreo para explorar y cuantificar un conjunto de estímulos mucho más grande de lo que se informó anteriormente.
¡Todo esto por unas pocas ratas en un laboratorio de la Universidad Northwestern! Considere el desafío que esto representa para el darwinismo: animales muy dispares tienen sistemas como este, que incluyen langostas (artrópodos, que son invertebrados), roedores, conejos, gatos, perros, leones marinos y más. Ninguno de los tres autores necesitó el darwinismo para este trabajo. Necesitaban un físico, un ingeniero y un neurocientífico. Piense en lo que los ingenieros, físicos, informáticos y teóricos de la información favorables al diseño, liberados del materialismo evolutivo, podrían aportar a uno de sus desafíos finales: “Los estudios futuros pueden investigar cómo las propiedades de codificación descritas aquí coexisten con la capacidad de las neuronas Vg para codificar la textura. y auto-movimiento «.
Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News & Science Today
