Las ratas también tienen la capacidad de imaginar lugares

Para construir la realidad, los seres humanos utilizamos constantemente la imaginación, una capacidad que nos permite elaborar pensamientos y recuerdos. Estos pueden ir, desde soñar despiertos con viajar a lugares remotos, hasta cosas mucho más simples como qué vamos a hacer para comer hoy.  

Científicos y científicas del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI, por sus siglas en inglés) de EE UU han descubierto que otros animales también poseen imaginación. Para ello, un equipo de los laboratorios Lee y Harris desarrolló un novedoso sistema que combina realidad virtual (RV) y una interfaz cerebro-máquina (IMC, por sus siglas en inglés) que sondea los pensamientos internos las ratas.

Hasta ahora se sabía que cuando estos animales experimentan lugares y acontecimientos, se activan patrones específicos de actividad neuronal en el hipocampo, una zona del cerebro responsable de la memoria espacial. Con sus experimentos, observaron que las ratas podían generar voluntariamente estos mismos patrones de actividad y hacerlo para recordar lugares alejados de su posición actual.

"En efecto, la rata puede activar la representación de lugares en el entorno sin estar allí. Aunque su cuerpo físico esté fijo, sus pensamientos espaciales pueden ir a un lugar muy remoto", dice Chongxi Lai, investigador de los dos laboratorios y primer autor del artículo, publicado esta semana en Science.

Una interfaz que ‘detecta el pensamiento’

Este proyecto comenzó hace nueve años, cuando Lai llegó al Campus de Investigación Janelia del HHMI como estudiante de posgrado. Su idea principal era comprobar si un animal podía pensar. Su asesor, Tim Harris, de la misma institución, le sugirió que se acercase a hablar con el laboratorio Lee, donde se planteaban preguntas similares.

De esta forma surgió la iniciativa de crear 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.

El sistema utiliza la interfaz cerebro-máquina, que proporciona una conexión directa entre la actividad cerebral y un dispositivo externo. Esta tecnología permite que se produzca un enlace entre la actividad eléctrica del hipocampo de la rata y su posición en un escenario de realidad virtual de 360 grados.

"Los detectores de pensamiento que se implantan en tejidos cerebrales muy profundos, como el hipocampo. Pueden descodificar el pensamiento abstracto, no solo limitándose al espacio, sino también a otros conceptos abstractos. Pueden utilizarse, por tanto, para interfaces cerebro-máquina personalizadas", explica a SINC Lai.

Cuando generamos un recuerdo, esto hace que se generen patrones de actividad en el hipocampo relacionados con lugares y acontecimientos. Pero hasta ahora no se sabía si los animales podían controlar voluntariamente esta actividad.

"Se trata de un elemento fundamental que subyace a la capacidad de situarnos en el pasado o en el futuro, en determinados escenarios. Mi hipótesis es que dicha capacidad se extrapola a otras especies que tengan hipocampo y estructuras cerebrales similares al hipocampo", continúa el científico. 

Un diccionario de lo que pensamos

Después de desarrollar el sistema, los investigadores/investigadoras tuvieron que crear un "diccionario de pensamientos" que les permitiera descodificar las señales cerebrales de la rata. De esta forma recopilaron cómo son los patrones de actividad cerebral cuando la rata experimenta algo, en este caso, ver lugares en el escenario de realidad virtual.

Introdujeron al animal en el sistema diseñado por Shinsuke Tanaka, del laboratorio Lee, y mientras la rata caminaba por una cinta esférica, sus movimientos se reflejaban en la pantalla de 360 grados. Cuando llegaba a su objetivo marcado, se le recompensaba.

A la vez, el sistema registró la actividad de su hipocampo para que se pudiera ver qué neuronas se activaban cuando la rata navegaba por la arena para alcanzar cada objetivo. Estas señales constituyen la base de una IMC del hipocampo en tiempo real. La actividad cerebral se traduce en acciones en la pantalla. 

"El detector de pensamientos traduce el patrón de picos de muchas neuronas producido en el hipocampo en una coordenada de una ubicación específica. Cuando estamos en un lugar determinado, y sin embargo pensamos en otro lugar remoto, algunas de nuestras neuronas cambiarán su disparo para representar ese lugar remoto. Este decodificador puede detectarlo y leer en qué lugar estaba pensando el animal", añade Lai.

La primera prueba que le pusieron fue desconectar la cinta y recompensar a la rata por reproducir el patrón de actividad del hipocampo asociado a la ubicación de un objetivo. En esta tarea, denominada Jumper por una película de 2008 del mismo nombre, la IMC traduce la actividad cerebral del animal en movimiento en la pantalla de realidad virtual. Es decir, la rata utiliza sus pensamientos para llegar a la recompensa y piensa primero adónde tiene que ir para conseguirla. Este proceso de pensamiento es algo que los humanos experimentamos con regularidad.

En la segunda tarea, Jedi —un guiño a La Guerra de las Galaxias—, la rata tenía que mover un objeto hasta un lugar solo con el pensamiento. El animal permanecía fijo 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/investigadoras cambiaron la ubicación del objetivo, exigiendo al animal que produjera patrones de actividad asociados a la nueva ubicación.

"Las ratas mueven objetos utilizando la atención espacial. Imagínese que se implantara en nuestro cerebro un decodificador de pensamientos de este tipo y se programara para guiar el movimiento de un objeto externo a su alrededor. Se daría cuenta y  también sería capaz de controlar ese objeto muy pronto", reflexiona Lai.

Ahí es cuando descubrieron 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.

"Lo asombroso es cómo aprenden a pensar en ese lugar, y en ningún otro, durante un periodo de tiempo muy largo, basándonos en nuestra noción, quizá ingenua, de la capacidad de atención de una rata", afirma Harris.

La investigación también demuestra que la interfaz cerebro-máquina 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, también abre la posibilidad de diseñar nuevos dispositivos protésicos basados en los mismos principios, según los autores.