Codificación neural para niños

La codificación neuronal es un campo de estudio en la neurociencia. Investiga cómo el cerebro representa la información sensorial. Esto lo hace a través de sus redes de neuronas. El objetivo principal es entender la relación entre lo que percibimos (el estímulo) y cómo las neuronas responden. También busca entender la relación entre la actividad eléctrica de las neuronas. Se cree que las neuronas pueden codificar información de forma digital y analógica.

¿Cómo se comunican las neuronas?

Las neuronas son células especiales en el cuerpo humano. Son muy buenas para enviar señales rápidamente a largas distancias. Esto lo logran generando pequeños impulsos eléctricos. Estos impulsos se llaman potenciales de acción o "picos eléctricos". Viajan a través de las fibras nerviosas.

Las neuronas que detectan sensaciones cambian su actividad. Disparan secuencias de estos impulsos eléctricos. Lo hacen en diferentes patrones de tiempo. Esto ocurre cuando hay estímulos externos. Por ejemplo, la luz, el sonido, los olores o el tacto. Sabemos que la información sobre estos estímulos se guarda en estos patrones. Luego se envía por todo el cerebro.

Aunque los impulsos eléctricos pueden variar un poco, se consideran eventos idénticos. Son como un interruptor de "todo o nada". La duración entre dos impulsos seguidos puede variar. A veces parece aleatoria. Estudiar la codificación neuronal implica medir y describir cómo los estímulos se representan. Por ejemplo, la intensidad de la luz o el sonido. También cómo las acciones (como mover un brazo) se representan con estos impulsos. Se usan métodos de estadística y probabilidad para analizar esto.

Codificación y decodificación: ¿Cuál es la diferencia?

Podemos estudiar la conexión entre un estímulo y la respuesta neuronal de dos maneras.

¿Qué es la codificación neuronal?

La codificación neuronal se refiere a cómo un estímulo se convierte en una respuesta. El objetivo principal es entender cómo las neuronas responden a muchos tipos de estímulos. También se busca crear modelos que predigan cómo responderán a otros estímulos.

¿Qué es la decodificación neuronal?

La decodificación neuronal es lo contrario. Se trata de reconstruir el estímulo a partir de la respuesta. Es el desafío de saber qué causó una secuencia de impulsos neuronales.

Formas en que las neuronas codifican la información

Una secuencia de impulsos puede contener información de diferentes maneras.

Codificación por tasa de disparo

Este es un método tradicional de codificación. Sugiere que la mayor parte de la información está en la "tasa de disparo" de la neurona. La tasa de disparo es el número promedio de impulsos por unidad de tiempo. Como la secuencia de impulsos puede variar, las respuestas se tratan de forma estadística.

En la mayoría de los sistemas sensoriales, la tasa de disparo aumenta. Lo hace de forma no lineal al aumentar la intensidad del estímulo. Este método ignora la información en el tiempo exacto de cada impulso. Por eso, la codificación por tasa es menos eficiente. Pero es muy resistente a las variaciones en el tiempo entre impulsos.

El concepto de tasa de disparo se ha usado con éxito por muchos años. Se remonta al trabajo de E.D. Adrian. Él mostró que la tasa de disparo de las neuronas en los músculos se relaciona con la fuerza aplicada.

Tasa de conteo de impulsos

También se le llama promedio temporal. Se obtiene contando los impulsos en un tiempo determinado. Luego se divide por la duración de ese tiempo. La duración la elige el investigador. Para obtener promedios útiles, deben ocurrir varios impulsos en ese tiempo.

Este método funciona bien si el estímulo es constante. O si cambia lentamente y no requiere una reacción rápida. Sin embargo, en la vida real, los estímulos cambian muy rápido. Por ejemplo, al mirar una imagen, nuestros ojos se mueven rápidamente. La imagen en la retina cambia cada pocos cientos de milisegundos.

A pesar de esto, el concepto de tasa de conteo de impulsos se usa mucho. No solo en experimentos, sino también en modelos de redes neuronales. Esto ha llevado a la idea de que una neurona transforma una entrada (la fuerza del estímulo) en una salida (la tasa de disparo).

Tasa de disparo dependiente del tiempo

Se define como el número promedio de impulsos. Se promedia en varias repeticiones de un experimento. Se cuentan los impulsos en un intervalo corto de tiempo. Esto funciona para estímulos que cambian con el tiempo.

Para medirla, se registra la actividad de una neurona. Se le aplica la misma secuencia de estímulos varias veces. La respuesta se muestra en un histograma. Este método es útil para evaluar la actividad neuronal. Especialmente con estímulos que cambian con el tiempo.

El problema es que las neuronas en el cerebro no pueden esperar que un estímulo se repita. Sin embargo, este método tiene sentido si hay muchas neuronas independientes. Y si todas reciben el mismo estímulo.

Codificación temporal

Cuando el momento exacto de un impulso o las fluctuaciones de la tasa de disparo llevan información, hablamos de un código temporal. Varios estudios han encontrado que la precisión de este código es de milisegundos. Esto indica que el tiempo preciso de los impulsos es importante.

Los códigos temporales usan aspectos de la actividad de los impulsos que la tasa de disparo no describe. Por ejemplo, el tiempo del primer impulso desde que empieza el estímulo. O patrones de impulsos precisos en el tiempo.

Como el sistema nervioso no tiene un tiempo de referencia absoluto, la información se carga de otras maneras. Por ejemplo, en el tiempo relativo de los impulsos en un grupo de neuronas. O en relación con las oscilaciones del cerebro.

La codificación temporal se refiere a la precisión temporal en la respuesta. Esta precisión no solo viene de cómo cambia el estímulo. También se relaciona con las propiedades del estímulo.

Codificación de población

Este método representa los estímulos usando la actividad conjunta de varias neuronas. En la codificación de población, cada neurona responde de una manera a diferentes entradas. Las respuestas de varias neuronas se combinan para determinar el valor de esas entradas.

Estudios han mostrado que este tipo de codificación se usa mucho en las áreas motoras y sensoriales del cerebro. Por ejemplo, en el área visual medial temporal (MT). Las neuronas allí responden a la dirección del movimiento.

Cuando un objeto se mueve en una dirección, muchas neuronas en MT se activan. La dirección del movimiento del objeto se recupera de la actividad de todo el grupo de neuronas. Esto ayuda a evitar errores que podrían ocurrir con una sola señal neuronal.

La codificación de población tiene varias ventajas. Reduce la incertidumbre por la variabilidad de las neuronas. También puede representar varios atributos de un estímulo al mismo tiempo. Es más rápida que la codificación por tasa. Puede reflejar cambios en los estímulos casi al instante.

Las neuronas individuales en un grupo tienen diferentes sensibilidades. Así, varias neuronas, no necesariamente todas, responden a un estímulo dado.

Codificación de posición

Un tipo común de código de población usa neuronas con una curva de respuesta. Su promedio cambia linealmente con la intensidad del estímulo. Esto significa que la neurona responde más fuerte a un estímulo cercano a su promedio. La intensidad real se puede recuperar. Se busca el nivel del estímulo que corresponde al promedio de la neurona con la mayor respuesta.

Este tipo de código se usa para codificar variables continuas. Por ejemplo, la posición de las articulaciones, la posición del ojo, el color o la frecuencia del sonido. Una sola neurona es muy "ruidosa" para codificar la variable por sí misma. Pero un grupo entero de neuronas asegura mayor precisión.

La codificación neuronal en la cultura

En la ciencia ficción, están apareciendo obras sobre la codificación neuronal. Exploran las grandes posibilidades si los humanos pudieran descifrar las comunicaciones del cerebro.

La novela El Código Sináptico de José Luis Peñalver, publicada en 2014, trata este tema. Un equipo de científicos investiga los impulsos motores del cerebro humano. Analizan los resultados de pruebas de electroencefalografía. Usan herramientas informáticas y criptográficas. El objetivo es crear una prótesis robótica para alguien que perdió un brazo. El robot debe entender las señales eléctricas del cerebro. Así, se moverá como la persona desea.

Otra novela del mismo autor, 77 grados Kelvin, también explora esto. En un futuro, el protagonista descubre que se han decodificado las percepciones eléctricas sensoriales. Un pequeño implante cerebral puede entender y manipular los impulsos eléctricos. Estos van de los ojos o los oídos a las áreas del cerebro. Así, las personas pueden ver información superpuesta en su visión. O recibir sonido directamente de una red. Lo que los ojos o los oídos perciben se puede guardar en un chip. Luego se puede compartir por la red. Estas aplicaciones han cambiado la comunicación y el entretenimiento. Pero también tienen sus riesgos.

Véase también

En inglés: Neuron Facts for Kids

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