¿Por qué algunos sonidos captan nuestra atención y nos sorprenden mientras que otros nos pasan inadvertidos? La neurociencia cognitiva moderna ha perseguido la respuesta a esta pregunta durante al menos medio siglo abordando la cuestión desde una óptica predominantemente corticocéntrica.

Ahora, tras sus más de 20 años de intensos análisis científicos y numerosas publicaciones sobre la materia, los investigadores de la Universidad de Salamanca y miembros del Grupo de Neurociencia Auditiva y Cognitiva (CANELAB), dirigidos por el catedrático de Histología Manuel S. Malmierca en el Instituto de Neurociencias de Castilla y León (INCYL), han descubierto un tipo neuronal que tiene "la especificad de identificar los silencios en secuencias de estímulos sonoros regulares y que permite entender mejor los procesos de predicción llevados a cabo por el cerebro y que son importantes para la supervivencia”, explican a Comunicación USAL.

Estas ‘neuronas omisión’, como las han denominado y de cuya existencia se sospechaba hace tiempo aunque no habían podido ser identificadas hasta la fecha, están localizadas en la corteza auditiva y, aunque también responden a estímulos sonoros, muestran una respuesta mucho mayor cuando se omiten tonos en una secuencia de tonos idénticos. Así, su activación en ausencia de sonido tendría una función importante en la supervivencia “al completar la imagen de una escena sensorial ante el silencio o interrupciones en las secuencias de sonidos”, destacan los científicos salmantinos en el estudio recientemente publicado en Science Advances.

Hallazgo clave

El hallazgo clave del trabajo, cuya primera autora es la estudiante de doctorado de la USAL Ana Lao-Rodríguez y que ha sido desarrollado en colaboración con el laboratorio de Neurociencia Computacional de la Universidad Radboud de Nimega (Países Bajos), ha sido identificar “que un subconjunto de neuronas del cerebro auditivo responde a la ausencia de un estímulo esperado, lo que aporta pruebas empíricas en apoyo de ciertos elementos de la codificación predictiva en un área subcortical y en la corteza sensorial”, subraya Malmierca.

En concreto, esta investigación ha demostrado que aparece una actividad neuronal robusta durante la omisión de un sonido en una secuencia regular de estímulos repetitivos. Y estas respuestas son consistentes con señales de error de predicción, entendidas como la diferencia entre lo que el cerebro espera percibir y los estímulos que realmente percibe.

Según la teoría de la codificación predictiva, el cerebro genera constantemente predicciones en sentido “descendente”, que se comparan con las señales sensoriales que nos llegan a través de los sentidos (en sentido ascendente, del exterior hacia el cerebro). Las señales sensoriales que coinciden con las predicciones se suprimen, mientras que los estímulos inesperados que no coinciden con las predicciones que genera el cerebro ponen en marcha una señal de error de predicción, que se propaga para generar predicciones nuevas y actualizadas.

De esta forma, la información sensorial se comparte continuamente entre los niveles de entrada sensorial bajos y los niveles más altos, lo que proporcionan predicciones sobre las siguientes entradas sensoriales.

Enfoque de la investigación

“Un punto fuerte de nuestra investigación ha sido utilizar dos especies animales y dos preparaciones de registro diferentes en dos laboratorios distintos. Este enfoque nos permitió distinguir el efecto de la especie y el estado cerebral en las respuestas de omisión”, resalta Lao-Rodríguez.

“El hecho de que también hayamos detectado respuestas de omisión en el colículo inferior, una estructura subcortical muy importante de la ruta auditiva, además de en la corteza auditiva, indica que el cerebro auditivo genera internamente una predicción sobre las futuras entradas sensoriales”, añade, por su parte, David Pérez-González, coautor del trabajo y miembro también de CANELAB.

Los colículos inferiores están involucrados en los movimientos reflejos provocados por los estímulos auditivos. Un ejemplo de estos movimientos es el reflejo de girar la cabeza hacia el origen de un sonido repentino e inesperado. La predicción proporciona ventajas clave para la supervivencia, y los estudios cognitivos han demostrado que el cerebro efectúa predicciones multinivel. Pero la evidencia de las predicciones es difícil de obtener a nivel neuronal debido a la complejidad de separar la actividad neuronal de predicciones y respuestas a estímulos.

“Nosotros superamos este reto registrando neuronas individuales de regiones auditivas corticales y subcorticales durante omisiones inesperadas de estímulos intercaladas en una secuencia regular de tonos. Y gracias a esto encontramos un subconjunto de neuronas que responde de forma fiable a los tonos omitidos”, concluye el director del Grupo CANELAB.

Pérdida de audición y avance en neurociencias

La capacidad de escuchar y reconocer correctamente los sonidos es fundamental para la percepción humana. La pérdida de audición que suele acompañar al envejecimiento es la discapacidad más prevalente en todo el mundo. Según la OMS, más del 5% de la población mundial padece en la actualidad una pérdida de audición discapacitante, que requiere rehabilitación, y se calcula que este porcentaje se doblará en 2050.

Por ello, el nuevo trabajo desarrollado por la Universidad de Salamanca no solo tiene importancia desde el punto de vista de las neurociencias como un avance más y general de nuestro conocimiento del funcionamiento del cerebro, sino que servirá de base para entender los mecanismos neuronales básicos y su relación con la inteligencia artificial, así como diferentes condiciones patológicas neuropsiquiátricas y neurodegenerativas.

Colaboración

El trabajo se desarrolló en colaboración con el grupo de Bernhard Englitz, director del laboratorio de Neurociencia Computacional de la Universidad Radboud de Nimega (Países Bajos). Asimismo, se engloba dentro del marco general de los 5 proyectos que Manuel S. Malmierca dirige en el INCYL, subvencionados por distintas agencias europeas (ERA-NET-NEURON, Horizon 2020 y U4E) nacionales (AEI), regionales (JCYL) y por la Fundación Ramón Areces.

Referencia: (Lao-Rodríguez AB, Przewrocki K, Pérez-González D, Alishbayli A, Yilmaz E, Malmierca MS, Englitz B. Neuronal responses to omitted tones in the auditory brain: A neuronal correlate for predictive coding). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8657