Para resolver el enigma de cómo percibe el ojo el movimiento y la dirección, los neurocientíficos primero necesitaron crear un mapa de las vías neuronales de la retina, de su abrumadora cantidad de conexiones posibles. Sabiendo que muchas manos (y paneles táctiles) hacen que el trabajo sea liviano, desarrollaron un programa donde los jugadores en línea usaron sus habilidades únicas para mapear esas conexiones y hacer algo productivo a pesar de ellos mismos.
Los ojos hacen más que solo ver
Una idea errónea popular sostiene que la percepción ocurre enteramente en el cerebro, y los miles de millones de neuronas en el cuerpo son simplemente mensajeros que envían datos sin procesar al procesador central. De hecho, al menos en los mamíferos, las neuronas en la retina analizan información compleja mucho antes de que esos datos se envíen a su grano.
Esto sucede porque, dependiendo del tipo y la ubicación de la célula neuronal en la retina, se activará por diferentes tipos de estímulos, como la luz o el movimiento. En un estudio de 1964, se encontró que ciertos grupos de células nerviosas en las retinas de conejos se activaban incluso por el tamaño, la dirección y la velocidad. [i] De hecho, para algunas celdas, solo el movimiento en una dirección determinada los activaría, de manera que el movimiento en la otra dirección no lo haría, un proceso denominado selectividad de dirección.
Se necesita más de una célula para determinar la dirección, y juntas realizan al menos un análisis primitivo de los datos antes de enviarlos a través del nervio óptico al cerebro.
Sin embargo, hasta hace muy poco, nadie estaba seguro de cómo se conectaban y comunicaban estas diversas células neuronales.
Células en la retina
Varios tipos de células nerviosas visuales tienen que cooperar para que la dirección sea percibida: fotorreceptores, neuronas bipolares y células amacrinas de estallido estelar. Los fotorreceptores son activados por la luz que llega a la retina, por lo que envían una señal eléctrica a la célula bipolar que envía la señal a las células de amacrina de explosión estelar.
Estas células de estallido estelar (piense en una rueda de bicicleta y sus radios) tienen numerosos filamentos diminutos (llamados dendritas) que se extienden hacia fuera en una gran cantidad de direcciones, haciendo conexiones complejas y caminos, que son difíciles de rastrear. Sin embargo, eventualmente, la información se envía desde la explosión estelar a una colección de células nerviosas (llamada ganglio), que en última instancia envía los datos parcialmente analizados al cerebro.
Haciendo un juego de la ciencia (y los científicos de los jugadores)
Antes de poder mapear cualquier conexión, primero debía producirse una imagen 3D de alta calidad de la retina. Inicialmente, se cortó una retina de ratón en muchas piezas súper delgadas y se escanearon con un microscopio electrónico. Después de que se juntaron, se creó una imagen en 3D, que luego se convirtió en un juego de EyeWire en el que los jugadores tienen el reto de mapear las ramas de una neurona de un lado a otro del cubo. Piense en ello como un rompecabezas en 3D. Los jugadores se desplazan a través del cubo (que mide aproximadamente 4.5 micrones por lado o ~ 10 veces más pequeño que el ancho promedio de un cabello humano) y reconstruyen las neuronas en segmentos volumétricos con la ayuda de un algoritmo de inteligencia artificial desarrollado en Seung Lab ".
Para este Starburst Challenge, los mejores 2,000 jugadores pudieron mapear con éxito la retina para que los investigadores puedan discernir al menos una de las vías utilizadas en la detección de la dirección. Los científicos apreciaron mucho las contribuciones de sus jugadores, los EyeWirers se incluyeron como coautores en el artículo académico donde se publicaron los resultados.
Cómo la retina detecta el movimiento
Esencialmente, para cada dendrita en una célula de estallido estelar, un tipo particular de célula bipolar (BC3) se uniría hacia afuera a lo largo de la dentita, y otro tipo de célula bipolar (BC2) se uniría cerca del centro. Los dos tipos de células bipolares se disparan a diferentes velocidades, con el BC2 teniendo un retraso mayor.
Cuando la luz se pone a la vista, estimula los fotorreceptores, lo que hace que ambos tipos de células bipolares se disparen; Con frecuencia, los mensajes de los dos tipos de celdas a lo largo de una dendrita alcanzarán la celda de Starburst en diferentes momentos (en gran parte debido al mayor retraso de BC2).
Sin embargo, cuando un objeto en vista se mueve a lo largo de la dirección de una dendrita dada, los mensajes enviados desde sus dos tipos de células bipolares (BC2 y BC3) llegan a la célula de Starburst. al mismo tiempo, que a su vez se impresionará lo suficiente como para que envíe una señal a su célula ganglionar: "Básicamente, le dice al cerebro que el objeto se está moviendo en una dirección determinada por la orientación de la dendrita que dispara fuertemente ".
Los autores del estudio advierten que solo se ha mapeado una pequeña fracción de las vías de la retina y que probablemente haya otras células neuronales involucradas en la detección de movimiento.
Otros juegos mentales
Para no limitarse solo a la vista, EyeWire espera trazar un mapa de todas las conexiones del cerebro (llamado el conectoma), y está en marcha un nuevo proyecto para rastrear las vías neuronales que vinculan los olores específicos con las respuestas emocionales.
Datos de Bonus Neuron
- El equipo de EyeWire ha asumido una enorme tarea. Hay mas de 85 mil millones neuronas en el cuerpo humano promedio, y entre 19 y 23 mil millones solo en la corteza cerebral (donde las pequeñas células grises hacen su pensamiento complejo). En comparación, nuestro competidor más cercano es el elefante africano que tiene solo 11 mil millones de neuronas en la corteza de su gran cerebro.
- Aunque la sabiduría convencional sostiene que el neocórtex (donde se produce nuestro pensamiento más complejo) solo se encuentra en los mamíferos, estudios recientes lo han cuestionado. Al menos dos especies de aves y una de tortugas tienen el mismo tipo de "células similares a neocórtex" en diferentes partes de sus cerebros, un hecho que lleva a algunas a cuestionarse si son o no capaces de funciones cerebrales avanzadas. Por el contrario, las esponjas marinas tienen cero (0) células nerviosas.
