La realidad en el cerebro: ‘Atrapar’ el espacio-tiempo

Una película de una hora de duración contiene unas 90.000 fotografías que se suceden con gran rapidez en el tiempo. Cada una de esas fotografías contiene, por sí misma, una cantidad ingente de información. ¿Cómo es capaz el cerebro de procesar tantos datos en tiempo real, de forma eficaz y aparentemente sin esfuerzo? La respuesta podría estar en la teoría de la ‘compactación del tiempo’ propuesta por el grupo de Sistemas Cognitivos y Neurorobótica de la Universidad Complutense de Madrid

La Naturaleza ha dotado a los seres vivos con las herramientas necesarias para sobrevivir en su medio ambiente. A mayor complejidad del individuo, mayor es su paleta de recursos y la profundidad de estos. Sin embargo, de todos estos mecanismos evolutivos, probablemente el de mayor éxito ha sido el desarrollo del sistema nervioso.

En general, el sistema nervioso es un conjunto organizado de células especializadas que permite al sujeto procesar la información de su realidad y generar comportamientos acordes a dicha información. De nuevo, cuanto mayor es la sofisticación del individuo, mayor es la de su sistema nervioso. De hecho, podríamos definir al individuo a partir de su sistema nervioso, ya que, finalmente, serán sus comportamientos los que contribuirán decisivamente a ubicarle en su entorno.

Este discurso puede parecer coherente en sus premisas y conclusiones. Sin embargo, tiene una falla importante: en cada una de sus partes podrían caber de forma perfectamente natural las plantas, que no poseen sistema nervioso, o al menos no como el que probablemente tengamos en mente al leer estas líneas. ¿Qué es lo que falta? El elemento clave es aquel que nuestros sentidos apenas perciben, pero cuya existencia disparó nuestro desarrollo evolutivo hasta lo que conocemos hoy en día: el tiempo.

Pensemos de nuevo en las plantas y en cómo les afecta el paso del tiempo: su sustento se encuentra fácilmente a su alcance (luz, agua y substratos), mientras que el desarrollo de soluciones meramente estructurales les permiten una adecuada protección contra los herbívoros (altura, tronco leñoso, fuertes raíces, etc.). Podemos decir entonces que los requerimientos para su supervivencia son estables en el espacio pero también, y sobre todo, en el tiempo. Por el contrario, si nos fijamos en las bacterias, a pesar de su simplicidad como seres vivos unicelulares, vemos que muchas ya poseen mecanismos tipo flagelo para desplazarse por su medio en busca de alimento.

Esto significa que, aun estando en la base misma de la evolución, esos seres ya se ven afectados de forma crítica por el tiempo al vivir en un entorno que cambia constantemente, alterando sus condiciones de alimentación, predación, bienestar, etc. Son precisamente estos cambios en el tiempo y la necesidad de adaptarse a ellos los que empujaron el desarrollo del sistema nervioso, desde los simples reflejos que gobiernan la quimiotaxis y que permite a nuestra bacteria seguirle el rastro a su comida, hasta el enormemente complejo sistema cefalizado característico de los mamíferos y que, en el caso particular de los humanos, nos distingue y eleva por encima del resto de los seres vivos.

La necesidad de desenvolverse en entornos que cambian con el tiempo es tan crítica que ha llevado a los seres más evolucionados, especialmente a los mamíferos, a desarrollar mecanismos cerebrales específicos más allá del mero procesamiento de la información espacial. Los procesos neuronales que subyacen a cómo comprendemos los entornos puramente estáticos (por ejemplo, una habitación amueblada) sustentan la denominada ‘cognición espacial‘.

Estos mecanismos están empezando a ser desvelados con la caracterización de poblaciones celulares que procesan atributos espaciales específicos, como las place cells que codifican la posición del propio sujeto, las grid cells, que intervienen en caracterizar el ‘tamaño’ del espacio que rodea al sujeto (más técnicamente, la métrica del espacio), las boundary cells, que se activan en presencia de obstáculos, etc.

Hoy en día se acepta que la actividad conjunta y coordinada de estas poblaciones, entre otras, genera un mapa mental, o representación interna, del entorno percibido, que permite al sujeto entenderlo e interaccionar con él, por ejemplo para moverse. Esta representación interna se denomina ‘mapa cognitivo’, y la demostración experimental de sus bases neurofisiológicas ha tenido tal calado en la neurociencia que fue merecedora del Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2014. Asumiendo entonces que empezamos a desentrañar cómo la información espacial se representa en el cerebro, ¿qué ocurre con el tiempo?

La aparición del tiempo en la información percibida conlleva la introducción en la ecuación de un mecanismo primordial, la predicción, de tal importancia que ha sido teorizado por R. Llinás, uno de los padres de la neurociencia actual, como la piedra angular funcional del cerebro. Llegamos entonces a la pregunta central: si el tiempo es tan importante, ¿cómo lo codifica nuestro cerebro? O más específicamente, ¿qué mecanismos, neuronas y áreas cerebrales están involucrados?

La respuesta es tan evidente como poco reveladora: depende del ámbito al que nos refiramos. El tiempo se halla imbricado en multitud de procesos mentales: actividad motora, representación interna de la duración de eventos, percepción del pasado y el futuro, formación y estructuración de la memoria, etc. Sin embargo, uno de estos ámbitos es especialmente relevante por encontrarse en la base de cualquier proceso de toma de decisiones en cualquier ser vivo evolucionado: primero es necesario entender la situación para saber después cómo proceder.

En este contexto entonces, el primer reto al que nos debemos enfrentar es el de dilucidar cómo se procesa el tiempo a la hora de encapsular la comprensión de una situación dinámica con la que el sujeto debe interaccionar. Y decimos ‘encapsular la comprensión’ porque eso es precisamente lo que hacen los mapas cognitivos cuando se trata de representar entornos estáticos, y porque, en la actualidad, la investigación de cómo se procesan los entornos dinámicos se está llevando a cabo bajo la perspectiva de ese mismo concepto.

De este modo, se está estudiando la implicación de las células que sustentan los mapas cognitivos, como las place cells, en la codificación de atributos dinámicos, como las velocidades de los objetos en movimiento o sus direcciones. Esta aproximación al problema tiene a priori la ventaja de partir de un enfoque ya probado para la cognición puramente espacial y tratar de generalizarlo al añadir la dimensión temporal. Sin embargo, si contemplamos el problema a vista de pájaro, podemos ver una seria dificultad al hecho de procesar el tiempo explícitamente: la dimensión temporal contiene una cantidad ingente de información.

Consideremos la información que posee una fotografía: los detalles, texturas, colores, perspectivas, etc., todo ello necesario para interpretar su contenido en todas sus dimensiones. Si pensamos entonces que una película de una hora de duración posee alrededor de 90.000 fotografías sucediéndose a gran velocidad en el tiempo, nos damos cuenta de que la información que nuestro cerebro recibe es casi cien mil veces superior a la cantidad de información que contiene la fotografía, ya enorme de por sí. Es natural preguntarse entonces cómo logra el cerebro procesar situaciones dinámicas en tiempo real, de forma eficiente y aparentemente sin esfuerzo.

Recientemente se ha descrito, precisamente en el contexto de este ejemplo, que cuando vemos una película, nuestro cerebro (especialmente la zona hipocampal) se activa para ‘resumirla’, convirtiéndola en una breve secuencia de escenas clave. Este descubrimiento apunta a que el cerebro intenta en lo posible reducir la información que contiene la dimensión temporal.

En esta misma línea, pero en un sentido más fundamental, nuestro grupo de Sistemas Cognitivos y Neurorobótica, que agrupa a investigadores de las Facultades de Biología y Matemáticas de la Universidad Complutense de Madrid, ha propuesto y desarrollado en los últimos años una teoría unificadora de la cognición espaciotemporal denominada ‘compactación del tiempo’, y que se basa en una sencilla premisa: para codificar el tiempo, el cerebro lo elimina.

La compactación del tiempo explica cómo nuestro cerebro es capaz de enfrentarse a una compleja situación dinámica y procesar la gran cantidad de información que contiene para comprenderla y finalmente tomar una decisión en tiempo real. Según la teoría, el cerebro lo logra considerando como relevante sólo las futuras interacciones entre los elementos percibidos, y prescindiendo de otros detalles, tanto estáticos como dinámicos.

Estas interacciones se generan prediciendo cómo va a evolucionar la situación y los elementos que contiene, incluyendo al propio sujeto, y obteniendo dónde dichas predicciones coinciden en el espacio. De esta forma las interacciones se representan como objetos estáticos estructurados en un mapa puramente espacial denominado ‘representación interna compacta’ o CIR, que es la abstracción con la que el cerebro representa la situación dinámica percibida.

La principal ventaja del enfoque propuesto por la compactación del tiempo es que los entornos espaciotemporales serían procesados por el cerebro empleando los mismos recursos cognitivos utilizados en la cognición espacial, es decir, en los mapas cognitivos. Esto es especialmente relevante porque la teoría no sólo predice que las poblaciones neuronales involucradas en la cognición espacial (place cells, grid cells, boundary cells, etc.) jugarían un papel importante en la compactación del tiempo. Además, afirma que los mapas cognitivos serían un caso particular de la representación interna compacta.

Siguiendo la estela de estos conceptos, nuestro grupo ha demostrado que el marco conceptual de la compactación del tiempo permite construir una ‘proto-mente’ artificial en la que la acción emerge de forma natural de la comprensión de la situación, su aprendizaje y su memorización. En definitiva, la acción surge de una cognición profunda unificada.

Además, recientemente hemos realizado una serie de experimentos que han revelado la existencia de la compactación del tiempo en la cognición humana, demostrando una de las predicciones de la teoría: que la representación del espacio-tiempo como ‘espacio’ en el cerebro puede ser la clave para explicar cómo los animales evolucionados en general, y los humanos en particular, somos capaces de tomar decisiones rápidas y eficaces en entornos dinámicos complejos.

En definitiva, nuestro paso por el mundo nos ata inextricablemente al tiempo, en el que nos vemos visto forzados a evolucionar para sobrevivir. Sin embargo, las propiedades de la dimensión temporal y su complejidad han empujado al cerebro, no solo a refinar sus mecanismos para codificar la información espacial, sino además a transformar el tiempo en espacio, con el objetivo de simplificar en lo posible el procesamiento de nuestra intrincada realidad.

Esta perspectiva arroja una nueva luz sobre nuestra forma de entender el cerebro y, en última instancia, nuestra mente, y abre caminos inspiradores al desarrollo de una cognición artificial que permita a los futuros robots entender nuestro mundo y actuar en él de forma similar a como lo hacemos los humanos.

Imagen: Toni Verdú Carbó

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