En Caltech, a mediados de los 70, Masakazu ("Mark") Konishi comenzó a estudiar el sistema auditivo de las lechuzas comunes, intentando responder una pregunta que parece simple: ¿por qué tenemos dos oídos?
Mientras que la mayoría de los sonidos pueden ser distinguidos con un solo oído, la tarea de identificar de dónde provienen los sonidos en el espacio, requiere de un proceso complejo llamado fusión biaural; mediante el mismo, el cerebro debe comparar la información recibida de cada oído y, entonces, transformar las diferencias sutiles en una percepción unificada en un solo sonido, como por ejemplo el ladrido de un perro, proveniente de un lugar en particular.
Konishi, zoólogo y experto en el sistema nervioso de las aves, escogió estudiar este proceso en lechuzas. La habilidad de identificar de donde provienen los sonidos, basada sólo en señales auditivas, es común en todas las criaturas que oyen; pero las lechuzas-en especial las lechuzas comunes-se destacan en esta tarea. Estas aves presentan habilidades de localización de sonidos tan extraordinarias que son capaces de cazar en una oscuridad total.
En 1977, Konishi y Eric Knudsen, quien actualmente está conduciendo su propia investigación sobre lechuzas en la Universidad de Stanford, llevaron a cabo una serie de experimentos para identificar las redes neuronales presentes en los cerebros de lechuzas, que podían distinguir los sonidos provenientes de lugares diferentes.
Utilizó una técnica iniciada por investigadores de la visión, la cual consiste en estudiar los cerebros de lechuzas anestesiadas, utilizando finos electrodos. Con los electrodos ubicados en su lugar, un parlante controlado por control remoto, era movido por diferentes lugares alrededor de la cabeza de la lechuza, a lo largo de una esfera imaginaria. Al mover el parlante, imitando los sonidos que la lechuza oiría en la naturaleza, los investigadores grabaron las descargas de las neuronas cercanas a los electrodos.
Durante el transcurso de varios meses, Konishi y Knudsen fueron capaces de identificar un área, ubicada en el cerebro medio de las aves, que contiene células llamadas neuronas específicas del espacio-cerca de 10.000 en total-las cuales sólo descargaban cuando los sonidos se presentaban en un lugar en particular. Asombrosamente, las células estaban organizadas en un orden topográfico preciso, similar al de los mapas de las células presentes en la corteza visual del cerebro. Los grupos de neuronas específicas del espacio, correspondientes a las coordinadas verticales y horizontales precisas del parlante, descargaban cuando un tono sonaba en esa ubicación.
"Sin prestar atención al nivel o al contenido del sonido, estas células siempre respondían a los sonidos originados en un mismo lugar en el espacio. Cada grupo de células a lo largo del circuito, era sensible al sonido proveniente de un lugar diferente en el espacio, así que cuando el sonido se movía, el patrón de descarga cambiaba a lo largo del mapa de las células", recuerda Knudsen.
El descubrimiento de células cerebrales auditivas, que podían identificar la ubicación de los sonidos en el espacio, produjo un nuevo misterio rápidamente. "El cristalino del ojo proyecta un espacio visual sobre los receptores de la retina, una lámina de dos dimensiones, y las fibras del nervio óptico proyectan las mismas relaciones espaciales en el cerebro", dice Konishi. "Pero en el sistema auditivo, sólo se mapea la frecuencia de las ondas de los sonidos sobre la capa receptora, y las fibras nerviosas auditivas proyectan este mapa de frecuencia en el cerebro. ¿Cómo hace el cerebro para crear un mapa del espacio auditivo, basado sólo en señales de frecuencias?"
Konishi cree que la respuesta puede revelar cómo el cerebro y el sistema auditivo procesan a los sonidos.
A medida que una corriente rápida de impulsos llega desde las células ciliadas, presentes en el oído, al sistema auditivo, este filtra unos pocos aspectos sencillos y discretos de los sonidos complejos. Entonces, la información sobre la agudeza o gravedad de un sonido, sobre su intensidad y sobre su frecuencia, es conducida por vías nerviosas separadas a centros de procesamiento de orden superior en el cerebro, donde millones de neuronas auditivas pueden transformar los datos, aún no procesados, en un patrón de sonido reconocible.
Las mismas células ciliadas contribuyen a este proceso de filtración, respondiendo a frecuencias diferentes, en ubicaciones diferentes a lo largo de la membrana basilar. Las células que están en el fondo de la membrana responden más rápidamente cuando detectan ondas de sonido de alta frecuencia, mientras que las que están en la parte superior, son más sensibles a sonidos de baja frecuencia.
David Corey compara la disposición con las cuerdas de un piano de cola, con las notas agudas en la base de la cóclea, donde la membrana basilar es estrecha y rígida, y con las notas graves en la punta, donde la membrana es más ancha y flexible.
Las células ciliadas también transmiten información básica acerca de la intensidad y de la duración de los sonidos. Mientras más fuerte es un sonido, en cualquier frecuencia en particular, las células ciliares se sintonizan más vigorosamente para responder a esa frecuencia, mientras que su patrón de señalización proporciona información acerca de la duración y del ritmo del sonido.
Konishi formuló la hipótesis de que tal información sobre la duración y la intensidad, era esencial para la localización del sonido. Así que colocó micrófonos en las orejas de lechuzas para medir con precisión lo que oían, mientras un parlante portátil giraba alrededor de sus cabezas.
Entonces, registró las diferencias en duración e intensidad de los sonidos que estaban llegando a cada una de las orejas de una lechuza. Las diferencias eran extremadamente pequeñas. Un sonido que se origina en el extremo izquierdo del animal, llegará a la oreja izquierda casi 200 microsegundos (millonésima de segundo) antes de llegar a la oreja derecha. En humanos, cuyas habilidades de localización del sonido son agudas, pero no están a la par de las de las lechuzas, la diferencia entre el tiempo de llegada de un sonido similar entre cada oído es casi tres veces mayor.
Cuando el origen de un sonido era movido hacia el centro de la cabeza de la lechuza, estas diferencias de duración disminuían, observó Konishi. Las diferencias en la intensidad de los sonidos que entran por los dos oídos, ocurrían cuando el parlante se movía hacia arriba y hacia abajo, fundamentalmente porque las orejas de las lechuzas son asimétricas; la oreja izquierda está más alta que el nivel de los ojos y apunta hacia abajo, mientras que la oreja derecha está más baja que el nivel de los ojos y apunta hacia arriba.
Basado en sus hallazgos, Konishi envió señales, de distintos volúmenes y separadas por varios intervalos de tiempo, por los diminutos auriculares que estaban insertados en los canales del oído de la lechuza. Entonces, observó cómo respondían los animales.
Debido a que los ojos de las lechuzas están fijos en sus cavidades y no pueden girar, los animales giran rápidamente en la dirección de un sonido, realizando un movimiento característico. Al monitorear electrónicamente estos movimientos giratorios de la cabeza, Konishi y sus ayudantes, mostraron que las lechuzas giran sus cabezas hacia una ubicación precisa en el espacio, que corresponde a las diferencias de duración e intensidad de las señales. Esto sugirió que las lechuzas fusionan los dos sonidos que reciben a través de sus dos oídos, en una representación de una sola fuente; en este caso, de un origen fantasma.
"Cuando el sonido de un oído precedía al del otro oído, la cabeza giraba en la dirección del oído que llevaba la delantera. Cuanto más demorábamos en aplicar el sonido al segundo oído, más giraba la cabeza", recuerda Konishi.
Luego, Konishi probó el mismo experimento en lechuzas anestesiadas, para aprender cómo sus cerebros llevan a cabo la fusión biaural. Unos años atrás, Konishi y Knudsen habían identificado a las neuronas específicas del espacio, presentes en el área auditiva del mesencéfalo de la lechuza, que sólo descargan en respuesta a sonidos que provienen de áreas específicas en el espacio. Actualmente, Konishi y sus asociados encontraron que estas neuronas específicas del espacio reaccionan a combinaciones de señales específicas, que corresponden a la dirección exacta en la que el animal giró su cabeza cuando se hicieron sonar los sonidos de fantasmas . "Cada neurona estaba acomodada para una cierta combinación de duración e intensidad diferentes", recuerda Konishi.
Konishi, entonces, decidió trazar las vías de las neuronas que llevan, al mesencéfalo de la lechuza, una información cada vez más refinada acerca de la duración y de la intensidad de los sonidos. Tal información primero se procesa en los núcleos de la cóclea, dos manojos de neuronas que se proyectan desde el oído interno. Trabajando con Terry Takahashi, quien se encuentra actualmente en la Universidad de Oregon, Konishi mostró que uno de los núcleos, presente en esta primera estación de paso, sólo señala la duración de cada banda de frecuencia, mientras que el otro registra la intensidad. Luego, las señales son transmitidas a dos estaciones de procesamiento de orden superior, antes de alcanzar a las neuronas específicas del espacio, presentes en el mesencéfalo de la lechuza.
Otro experimento mostró, de manera definitiva, que la duración y la intensidad de los sonidos se procesan por vías separadas. Cuando los investigadores inyectaron una cantidad diminuta de anestesia local en uno de los núcleos de la cóclea (el núcleo magnocelular), las neuronas específicas del espacio superiores, dejaron de responder a las diferencias en la duración, aunque su respuesta a las diferencias en la intensidad fue igual. Lo opuesto ocurrió cuando se bloquearon las neuronas que llevaban información sobre la intensidad.
"Pienso que tratamos con los principios básicos acerca del modo en que se procesa y analiza un estímulo auditivo en el cerebro. Las diferentes características se procesan a lo largo de vías paralelas, casi independientes de las estaciones superiores, que crean códigos neuronales, cada vez más refinados, para el estímulo", dice Konishi. "Nuestro conocimiento no es completo, pero sabemos mucho. Tenemos mucha suerte".
Konishi ha sido capaz de formular los principios mecánicos del proceso de localización del sonido de la lechuza, como una secuencia paso a paso. Ha colaborado con científicos en computación, en Caltech, para desarrollar un "chip de lechuza" que utilice la velocidad y la precisión de las redes neuronales de la lechuza, para poder ser usado en computadoras.
En la Universidad de Stanford, Eric Knudsen ha estado realizando experimentos en lechuzas, equipada con lentes de primas, para determinar si las distorsiones en su visión afectan la habilidad de ubicar el sonido. A pesar de la audición excepcionalmente aguda de las lechuzas, él ha encontrado que éstas confían aún más en su visión. Cuando ellas usan los prismas que distorsionan la visión, su habilidad de cazar se deteriora en un periodo de semanas, ya que su sistema auditivo trata de adaptarse al desplazamiento óptico de los prismas.
"El sistema visual tiene el control principal y básicamente dicta cómo el cerebro interpretará las señales de localización auditiva", dice Knudsen.
Knudsen también está examinando cierta red neuronal, presente en los cerebros de animales, donde cree que convergen las señales provenientes del sistema auditivo y del sistema visual. "Esta red hace posible que las lechuzas puedan dirigir los ojos y la atención a un sonido, una vez que es oído", explica Knudsen. Su investigación forma parte de una nueva corriente de estudios que no sólo se centra en las vías sensoriales individuales, sino que también estudia cómo el cerebro combina la información que recibe de muchas otras fuentes.
(Información extractada de sitio oficial de Howard Hughes Medical Institute
http://www.hhmi.org/senses-esp/)
Mientras que la mayoría de los sonidos pueden ser distinguidos con un solo oído, la tarea de identificar de dónde provienen los sonidos en el espacio, requiere de un proceso complejo llamado fusión biaural; mediante el mismo, el cerebro debe comparar la información recibida de cada oído y, entonces, transformar las diferencias sutiles en una percepción unificada en un solo sonido, como por ejemplo el ladrido de un perro, proveniente de un lugar en particular.
Konishi, zoólogo y experto en el sistema nervioso de las aves, escogió estudiar este proceso en lechuzas. La habilidad de identificar de donde provienen los sonidos, basada sólo en señales auditivas, es común en todas las criaturas que oyen; pero las lechuzas-en especial las lechuzas comunes-se destacan en esta tarea. Estas aves presentan habilidades de localización de sonidos tan extraordinarias que son capaces de cazar en una oscuridad total.
En 1977, Konishi y Eric Knudsen, quien actualmente está conduciendo su propia investigación sobre lechuzas en la Universidad de Stanford, llevaron a cabo una serie de experimentos para identificar las redes neuronales presentes en los cerebros de lechuzas, que podían distinguir los sonidos provenientes de lugares diferentes.
Utilizó una técnica iniciada por investigadores de la visión, la cual consiste en estudiar los cerebros de lechuzas anestesiadas, utilizando finos electrodos. Con los electrodos ubicados en su lugar, un parlante controlado por control remoto, era movido por diferentes lugares alrededor de la cabeza de la lechuza, a lo largo de una esfera imaginaria. Al mover el parlante, imitando los sonidos que la lechuza oiría en la naturaleza, los investigadores grabaron las descargas de las neuronas cercanas a los electrodos.
Durante el transcurso de varios meses, Konishi y Knudsen fueron capaces de identificar un área, ubicada en el cerebro medio de las aves, que contiene células llamadas neuronas específicas del espacio-cerca de 10.000 en total-las cuales sólo descargaban cuando los sonidos se presentaban en un lugar en particular. Asombrosamente, las células estaban organizadas en un orden topográfico preciso, similar al de los mapas de las células presentes en la corteza visual del cerebro. Los grupos de neuronas específicas del espacio, correspondientes a las coordinadas verticales y horizontales precisas del parlante, descargaban cuando un tono sonaba en esa ubicación.
"Sin prestar atención al nivel o al contenido del sonido, estas células siempre respondían a los sonidos originados en un mismo lugar en el espacio. Cada grupo de células a lo largo del circuito, era sensible al sonido proveniente de un lugar diferente en el espacio, así que cuando el sonido se movía, el patrón de descarga cambiaba a lo largo del mapa de las células", recuerda Knudsen.
El descubrimiento de células cerebrales auditivas, que podían identificar la ubicación de los sonidos en el espacio, produjo un nuevo misterio rápidamente. "El cristalino del ojo proyecta un espacio visual sobre los receptores de la retina, una lámina de dos dimensiones, y las fibras del nervio óptico proyectan las mismas relaciones espaciales en el cerebro", dice Konishi. "Pero en el sistema auditivo, sólo se mapea la frecuencia de las ondas de los sonidos sobre la capa receptora, y las fibras nerviosas auditivas proyectan este mapa de frecuencia en el cerebro. ¿Cómo hace el cerebro para crear un mapa del espacio auditivo, basado sólo en señales de frecuencias?"
Konishi cree que la respuesta puede revelar cómo el cerebro y el sistema auditivo procesan a los sonidos.
A medida que una corriente rápida de impulsos llega desde las células ciliadas, presentes en el oído, al sistema auditivo, este filtra unos pocos aspectos sencillos y discretos de los sonidos complejos. Entonces, la información sobre la agudeza o gravedad de un sonido, sobre su intensidad y sobre su frecuencia, es conducida por vías nerviosas separadas a centros de procesamiento de orden superior en el cerebro, donde millones de neuronas auditivas pueden transformar los datos, aún no procesados, en un patrón de sonido reconocible.
Las mismas células ciliadas contribuyen a este proceso de filtración, respondiendo a frecuencias diferentes, en ubicaciones diferentes a lo largo de la membrana basilar. Las células que están en el fondo de la membrana responden más rápidamente cuando detectan ondas de sonido de alta frecuencia, mientras que las que están en la parte superior, son más sensibles a sonidos de baja frecuencia.
David Corey compara la disposición con las cuerdas de un piano de cola, con las notas agudas en la base de la cóclea, donde la membrana basilar es estrecha y rígida, y con las notas graves en la punta, donde la membrana es más ancha y flexible.
Las células ciliadas también transmiten información básica acerca de la intensidad y de la duración de los sonidos. Mientras más fuerte es un sonido, en cualquier frecuencia en particular, las células ciliares se sintonizan más vigorosamente para responder a esa frecuencia, mientras que su patrón de señalización proporciona información acerca de la duración y del ritmo del sonido.
Konishi formuló la hipótesis de que tal información sobre la duración y la intensidad, era esencial para la localización del sonido. Así que colocó micrófonos en las orejas de lechuzas para medir con precisión lo que oían, mientras un parlante portátil giraba alrededor de sus cabezas.
Entonces, registró las diferencias en duración e intensidad de los sonidos que estaban llegando a cada una de las orejas de una lechuza. Las diferencias eran extremadamente pequeñas. Un sonido que se origina en el extremo izquierdo del animal, llegará a la oreja izquierda casi 200 microsegundos (millonésima de segundo) antes de llegar a la oreja derecha. En humanos, cuyas habilidades de localización del sonido son agudas, pero no están a la par de las de las lechuzas, la diferencia entre el tiempo de llegada de un sonido similar entre cada oído es casi tres veces mayor.
Cuando el origen de un sonido era movido hacia el centro de la cabeza de la lechuza, estas diferencias de duración disminuían, observó Konishi. Las diferencias en la intensidad de los sonidos que entran por los dos oídos, ocurrían cuando el parlante se movía hacia arriba y hacia abajo, fundamentalmente porque las orejas de las lechuzas son asimétricas; la oreja izquierda está más alta que el nivel de los ojos y apunta hacia abajo, mientras que la oreja derecha está más baja que el nivel de los ojos y apunta hacia arriba.
Basado en sus hallazgos, Konishi envió señales, de distintos volúmenes y separadas por varios intervalos de tiempo, por los diminutos auriculares que estaban insertados en los canales del oído de la lechuza. Entonces, observó cómo respondían los animales.
Debido a que los ojos de las lechuzas están fijos en sus cavidades y no pueden girar, los animales giran rápidamente en la dirección de un sonido, realizando un movimiento característico. Al monitorear electrónicamente estos movimientos giratorios de la cabeza, Konishi y sus ayudantes, mostraron que las lechuzas giran sus cabezas hacia una ubicación precisa en el espacio, que corresponde a las diferencias de duración e intensidad de las señales. Esto sugirió que las lechuzas fusionan los dos sonidos que reciben a través de sus dos oídos, en una representación de una sola fuente; en este caso, de un origen fantasma.
"Cuando el sonido de un oído precedía al del otro oído, la cabeza giraba en la dirección del oído que llevaba la delantera. Cuanto más demorábamos en aplicar el sonido al segundo oído, más giraba la cabeza", recuerda Konishi.
Luego, Konishi probó el mismo experimento en lechuzas anestesiadas, para aprender cómo sus cerebros llevan a cabo la fusión biaural. Unos años atrás, Konishi y Knudsen habían identificado a las neuronas específicas del espacio, presentes en el área auditiva del mesencéfalo de la lechuza, que sólo descargan en respuesta a sonidos que provienen de áreas específicas en el espacio. Actualmente, Konishi y sus asociados encontraron que estas neuronas específicas del espacio reaccionan a combinaciones de señales específicas, que corresponden a la dirección exacta en la que el animal giró su cabeza cuando se hicieron sonar los sonidos de fantasmas . "Cada neurona estaba acomodada para una cierta combinación de duración e intensidad diferentes", recuerda Konishi.
Konishi, entonces, decidió trazar las vías de las neuronas que llevan, al mesencéfalo de la lechuza, una información cada vez más refinada acerca de la duración y de la intensidad de los sonidos. Tal información primero se procesa en los núcleos de la cóclea, dos manojos de neuronas que se proyectan desde el oído interno. Trabajando con Terry Takahashi, quien se encuentra actualmente en la Universidad de Oregon, Konishi mostró que uno de los núcleos, presente en esta primera estación de paso, sólo señala la duración de cada banda de frecuencia, mientras que el otro registra la intensidad. Luego, las señales son transmitidas a dos estaciones de procesamiento de orden superior, antes de alcanzar a las neuronas específicas del espacio, presentes en el mesencéfalo de la lechuza.
Otro experimento mostró, de manera definitiva, que la duración y la intensidad de los sonidos se procesan por vías separadas. Cuando los investigadores inyectaron una cantidad diminuta de anestesia local en uno de los núcleos de la cóclea (el núcleo magnocelular), las neuronas específicas del espacio superiores, dejaron de responder a las diferencias en la duración, aunque su respuesta a las diferencias en la intensidad fue igual. Lo opuesto ocurrió cuando se bloquearon las neuronas que llevaban información sobre la intensidad.
"Pienso que tratamos con los principios básicos acerca del modo en que se procesa y analiza un estímulo auditivo en el cerebro. Las diferentes características se procesan a lo largo de vías paralelas, casi independientes de las estaciones superiores, que crean códigos neuronales, cada vez más refinados, para el estímulo", dice Konishi. "Nuestro conocimiento no es completo, pero sabemos mucho. Tenemos mucha suerte".
Konishi ha sido capaz de formular los principios mecánicos del proceso de localización del sonido de la lechuza, como una secuencia paso a paso. Ha colaborado con científicos en computación, en Caltech, para desarrollar un "chip de lechuza" que utilice la velocidad y la precisión de las redes neuronales de la lechuza, para poder ser usado en computadoras.
En la Universidad de Stanford, Eric Knudsen ha estado realizando experimentos en lechuzas, equipada con lentes de primas, para determinar si las distorsiones en su visión afectan la habilidad de ubicar el sonido. A pesar de la audición excepcionalmente aguda de las lechuzas, él ha encontrado que éstas confían aún más en su visión. Cuando ellas usan los prismas que distorsionan la visión, su habilidad de cazar se deteriora en un periodo de semanas, ya que su sistema auditivo trata de adaptarse al desplazamiento óptico de los prismas.
"El sistema visual tiene el control principal y básicamente dicta cómo el cerebro interpretará las señales de localización auditiva", dice Knudsen.
Knudsen también está examinando cierta red neuronal, presente en los cerebros de animales, donde cree que convergen las señales provenientes del sistema auditivo y del sistema visual. "Esta red hace posible que las lechuzas puedan dirigir los ojos y la atención a un sonido, una vez que es oído", explica Knudsen. Su investigación forma parte de una nueva corriente de estudios que no sólo se centra en las vías sensoriales individuales, sino que también estudia cómo el cerebro combina la información que recibe de muchas otras fuentes.
(Información extractada de sitio oficial de Howard Hughes Medical Institute
http://www.hhmi.org/senses-esp/)
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