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Dícese que Albert Einstein afirmó bromeando en una ocasión: «pon tu mano en una estufa caliente por un minuto, y parecerá una hora. Siéntate con una chica bonita durante una hora, y parecerá un minuto”.
Desde las reflexiones de Aristóteles sobre la naturaleza del tiempo hasta la teoría de la Relatividad de Einstein, el modo en que percibimos y entendemos el tiempo ha sido una cuestión que siempre ha intrigado al ser humano.
La teoría de la Relatividad postula que el tiempo puede estirarse y contraerse, un fenómeno conocido como dilatación temporal. No puede decirse que sea exactamente lo mismo, pero así como el cosmos deforma el tiempo, nuestros circuitos neuronales también pueden estirar y comprimir nuestra experiencia temporal subjetiva; lo sabe cualquiera que haya pasado una de esas interminables tardes de verano al refugio del calor cuando las televisiones solo ofrecían el Tour de Francia o la telenovela con nombre de piedra preciosa de turno.
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Esta experiencia subjetiva del tiempo es, no obstante, el objeto del estudio de un equipo de investigadores del Laboratorio de Aprendizaje de Champalimaud Research publicado recientemente en la revista Nature Neuroscience. En él, los científicos ralentizaron o aceleraron artificialmente los patrones de actividad neuronal en ratas, distorsionando su juicio sobre la duración del tiempo y brindando la evidencia causal más convincente hasta la fecha sobre cómo funciona el cerebro en este aspecto.
La hipótesis del reloj de población
En contraste con los ritmos circadianos que rigen nuestros ciclos biológicos y dan forma a nuestra vida diaria -desde los ciclos de sueño y vigilia hasta el metabolismo- se sabe mucho menos sobre cómo el cuerpo mide el tiempo a una escala de segundos o minutos.
A diferencia del tic tac exacto del reloj centralizado de un ordenador, nuestros cerebros mantienen un sentido del tiempo descentralizado y flexible, que se cree, responde a la dinámica de las redes neuronales dispersas por todo el cerebro. Según esta hipótesis, conocida como la hipótesis del «reloj de población«, nuestros cerebros computan el tiempo confiando en patrones de actividad en los que intervienen diferentes grupos de neuronas.
Joseph J. Paton, investigador del Programa de Neurociencias de la Fundación Champalimaud, en Lisboa, y autor principal del artículo, explica la hipótesis del «reloj de población» con una metáfora:«Es como dejar caer una piedra en un estanque. Cada vez que esto sucede, se generan ondas que se irradian en la superficie en un patrón repetible. Examinando los patrones y posiciones de estas ondas, uno puede deducir cuándo y dónde se dejó caer la piedra en el agua”.
Tu cerebro se resetea mientras duermes
“Así como la velocidad a la que se mueven las ondas puede variar, el ritmo al que progresan estos patrones de actividad en las poblaciones neuronales también puede cambiar», continúa. «Nuestro laboratorio fue uno de los primeros en demostrar una estrecha correlación entre la velocidad con la que evolucionan estas ‘ondas’ neuronales y las decisiones dependientes del tiempo”.
Para llegar a esta conclusión, el equipo de Paton entrenó a un grupo de ratas para distinguir entre diferentes intervalos de tiempo. Descubrieron que la actividad en el núcleo estriado, una región profunda del cerebro, sigue patrones predecibles que cambian a diferentes velocidades. Sin embargo, correlación no implica causalidad. Según explica el investigador: “queríamos probar si la variabilidad en la velocidad de la dinámica de las neuronas del núcleo estriado era una simple correlación o si regulaba directamente el comportamiento relacionado con el tiempo. Y para hacer eso, necesitábamos una forma de manipular experimentalmente estas dinámicas».
Tiempo y temperatura
“Nunca te deshagas de las herramientas viejas”, bromea Tiago Monteiro, otro de los autores principales del estudio. Y es que, para establecer la causalidad, el equipo recurrió a una técnica de la vieja escuela de los neurocientíficos: la temperatura.
“La temperatura se ha utilizado en estudios anteriores para manipular la dinámica temporal de los comportamientos, como el canto de los pájaros», explica el investigador. «En las aves, enfriar una región específica del cerebro ralentiza la canción, mientras que calentarla la acelera, sin alterar su estructura. Es similar a cambiar el tempo de una pieza musical sin afectar las notas mismas», continúa. «Pensamos que la temperatura podría ser ideal para nuestro experimento, ya que potencialmente nos permitiría cambiar la velocidad de la dinámica neuronal sin alterar su patrón”.
Para probar esta herramienta en ratas, desarrollaron un dispositivo termoeléctrico personalizado para calentar o enfriar el cuerpo estriado localmente mientras registraban simultáneamente la actividad neuronal. En estos experimentos, las ratas fueron anestesiadas, por lo que los investigadores emplearon la optogenética -una técnica que utiliza la luz para estimular células específicas- para crear ondas de actividad en el cuerpo estriado, que de otro modo estaría inactivo; como si se arrojara una piedra al estanque. «Tuvimos cuidado de no enfriar demasiado el área, ya que inhibiría la actividad, o calentarla demasiado, lo que acarrearía el riesgo de generar daños irreversibles», explica por su parte la también coautora del artículo, Margarida Pexirra.
El lenguaje de las neuronas en el cerebro
«La temperatura nos proporcionó el modo de estirar o contraer la actividad neuronal en el tiempo, por lo que aplicamos esta manipulación en el contexto del comportamiento”, añade Filipe Rodrigues, del equipo de Paton. “Entrenamos animales para informar de si el intervalo entre dos tonos era superior o inferior a los 1,5 segundos. Cuando enfriamos el cuerpo estriado, fue más probable que los animales interpretaran que un intervalo determinado era corto. Cuando lo calentábamos, era más probable que dijeran que era largo. Calentar el cuerpo estriado aceleró la dinámica de la población del cuerpo estriado, similar a acelerar el movimiento de las manecillas de un reloj, lo que provocó que las ratas juzgaran un intervalo de tiempo dado como más largo de lo que realmente era.»
Tiempo, sincronización y movimiento: 2 sistemas cerebrales para el control motor
“Sorprendentemente a pesar de que el cuerpo estriado coordina el control motor, ralentizar o acelerar sus patrones de actividad no ralentiza ni acelera los movimientos de los animales en la tarea», añade Paton. Esto nos hizo pensar más profundamente sobre la naturaleza del control del comportamiento en general».
Incluso los organismos más simples enfrentan dos desafíos fundamentales cuando se trata de controlar el movimiento. Primero, tienen que elegir entre diferentes acciones potenciales, por ejemplo, si avanzar o retroceder. En segundo lugar, una vez que han elegido una acción, deben poder ajustarla y controlarla continuamente para garantizar que se lleve a cabo de manera efectiva. Estos problemas básicos se aplican a todo tipo de organismos, desde gusanos hasta humanos. Los hallazgos del equipo indican que el cuerpo estriado es fundamental para resolver el primer desafío: determinar qué hacer y cuándo, mientras que el segundo desafío, el de cómo controlar el movimiento reside en otras estructuras cerebrales.
En este sentido, en un estudio paralelo, el equipo ahora está explorando el cerebelo, el cual alberga más de la mitad de las neuronas del cerebro y está asociado con la ejecución continua, momento a momento, de nuestras acciones.
¿Cuánto sabes sobre el cerebro?
«Curiosamente nuestros datos preliminares muestran que manipular la temperatura del cerebelo, a diferencia del cuerpo estriado, sí que afecta al control del movimiento continuo«. Como señala Paton, “Se puede ver esta división del trabajo entre estos dos sistemas cerebrales en los trastornos del movimiento como el Parkinson y la ataxia cerebelosa. El Parkinson, una enfermedad que afecta el cuerpo estriado, a menudo dificulta la capacidad de los pacientes para iniciar planes motores por sí mismos, como caminar. Sin embargo, proporcionar señales sensoriales, como líneas de cinta adhesiva en el suelo, puede facilitar el caminar. Es probable que estas señales se relacionen con otras regiones del cerebro, como el cerebelo y la corteza que aún están intactas y pueden manejar de manera efectiva el movimiento continuo. Por el contrario, los pacientes con daño cerebeloso luchan con la ejecución de movimientos suaves y coordinados, pero no necesariamente con la iniciación o transición entre movimientos».
Al proporcionar nuevos conocimientos sobre la relación causal entre la actividad neuronal y la función de sincronización, los resultados del equipo suponen un avance en el desarrollo de nuevos objetivos terapéuticos para enfermedades debilitantes como el Parkinson o la enfermedad de Huntington, que involucran síntomas relacionados con el tiempo y el cuerpo estriado.
Ramón y Cajal, el Nobel español que se adentró en el cerebro
“Irónicamente, para tratarse de un artículo sobre el tiempo, este estudio tardó años en realizarse”, comenta Monteiro. “Pero hay muchos más misterios por desentrañar. ¿Qué circuitos cerebrales crean estas ondas de actividad de cronometraje en primer lugar? ¿Qué cálculos, además de evaluar el tiempo o la sincronización de movimiento podrían realizar tales ondas? ¿Cómo nos ayudan a adaptarnos y responder inteligentemente a nuestro entorno? Para responder a estas preguntas, vamos a necesitar más de algo que hemos estado estudiando… tiempo”, concluye.
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