Nuestra imagen mental del espacio parece expandirse como el universo: ScienceAlert

Dentro de tu cerebro hay un mapa de cada habitación en la que has dormido. Cada cocina donde cocinaste. Cada ciudad en la que has trabajado, cada país en el que has vacacionado. soñado.

Comprimir este vasto tesoro de información detallada en un pequeño tapiz de neuronas es posible gracias a algunas matemáticas muy inteligentes, Según un estudio en cerebros de ratas realizado por investigadores en los Estados Unidos.

Estos patrones recientemente descubiertos de disposición de las células cerebrales que encarnan la representación mental del espacio físico no solo revelan cómo nuestro cerebro almacena ciertos tipos de datos, sino que también pueden proporcionar información sobre los momentos en que la memoria y el mapeo fallan.

Entra en una habitación por primera vez y tu cerebro reclutará rápidamente neuronas que delinearán el espacio. Aquellos poner celdas no están necesariamente dispuestos para reflejar la habitación, pero su parpadeo coordinado todavía sirve como una forma de situarnos dentro de un área física.

Organizadas en redes llamadas campos de lugar, estas celdas se reorganizan repetidamente a medida que nos acostumbramos al espacio, lo que contribuye a una red de celdas cada vez más enriquecida que se ondula con respuestas correlacionadas a medida que el espacio que las rodea se vuelve más familiar.

La forma en que esta jerarquía de actividades correlacionadas se desarrolla y opera hasta ahora ha sido principalmente especulativa, al menos desde un punto de vista matemático.

En un nuevo estudio dirigido por la neurobióloga computacional Tatyana Sharpee del Instituto Salk de Estudios Biológicos, los investigadores investigaron la actividad de las células nerviosas en un parte del hipocampo de ratones que es fundamental para su memoria de espacios.

usando un método previamente concebido Para estudiar la ubicación de las células en ratas mientras corren por laberintos, los investigadores colocaron un puñado de roedores adultos en una pista recta de 48 metros (157 pies), durante la cual se registró su actividad neuronal a medida que completaban las carreras.

Hay algunas formas en las que se puede modelar una secuencia de mensajes que se transmiten a través de una red, según su proximidad física o las formas en que responden las diferentes células.

Un análisis de la jerarquía de las señales que parpadean en una red de células de lugar en ratones se modeló mejor mediante un tipo de geometría descrita como hiperbólica que, irónicamente, no es la geometría más fácil de imaginar para nuestros cerebros.

Imagine, si quiere, un edificio de oficinas típico con un jefe en la parte superior, sentado solo en un piso para ellos solos. Todos los ejecutivos por debajo del jefe tienen oficinas lujosas. Debajo de ellos, los mandos intermedios se acomodan en suites un poco más pequeñas. Abajo, toda una masa de trabajadores se apiña en un piso lleno de cubículos.

Esta jerarquía ‘lineal’ rápidamente se queda sin espacio para cada individuo a medida que avanza por los pisos y se suman los departamentos adicionales.

Sin embargo, una torre de oficinas construida con geometría hiperbólica no tendría problemas para acomodar nuevos departamentos en los pisos inferiores, que crecen exponencialmente, obedeciendo a un conjunto diferente de reglas sobre los ángulos que forman las líneas que se cruzan cuando se conectan con diferentes componentes.

Si bien podemos usar el ejemplo anterior para representar una jerarquía hiperbólica en un espacio plano, en una realidad completamente dimensional, estos triángulos tendrían todos el mismo tamaño (sí, tratar de imaginar eso dañará tu cerebro). Entonces, si fuera una pieza de material, los extremos exteriores se doblarían con el exceso de circunferencia, como un sombrero flexible.

Las jerarquías hiperbólicas usan matemáticas similares para describir las relaciones entre diferentes puntos de actividad en una cascada de operaciones, lo que permite una forma más eficiente de desarrollar distancias y objetos en nuestras mentes mientras nos imaginamos en un espacio.

Aquí, los investigadores observaron las matemáticas de cómo se establecieron rápidamente pequeños campos de células de lugar cuando se introdujeron ratones en un nuevo espacio, creciendo en campos más complejos de acuerdo con una expansión logarítmica a lo largo del tiempo.

«Nuestro estudio demuestra que el cerebro no siempre actúa de manera lineal. En cambio, las redes neuronales funcionan a lo largo de una curva en expansión, que puede analizarse y comprenderse mediante la geometría hiperbólica y la teoría de la información», dijo. dice Sharpe.

estudios recientes Los sistemas olfativos que se encuentran en la biología también siguen una jerarquía hiperbólica, lo que permite a los animales categorizar los olores de formas mucho más complejas y variadas que una forma lineal de agrupar los olores.

Los investigadores detrás del nuevo estudio argumentan que las representaciones hiperbólicas en nuestra conciencia espacial se adaptan mejor a la reorganización que viene con un mapa mental en crecimiento, confiando solo en la información disponible. La ubicación del cuerpo en el espacio también es más precisa que si el mapa se desarrollara utilizando un modelo lineal.

Medir efectos similares en humanos puede informar modelos de enfermedades, especialmente en campos de la neurología relacionados con la memoria y la conciencia espacial.

En un nivel más poético, hay belleza en saber que la expansión de nuestro universo mental refleja la expansión infinita de nuestro universo físico. Aunque hasta ahora todos los signos apuntan a que nuestro Universo tiene una forma plana, hay modelos quienes especulan si la geometría general del espacio-tiempo aún puede tener una curvatura sutil.

«Uno pensaría que la geometría hiperbólica solo se aplica a una escala cósmica, pero eso no es cierto». dice Sharpe.

«Nuestros cerebros funcionan mucho más lento que la velocidad de la luz, lo que puede ser una de las razones por las que los efectos hiperbólicos se ven en espacios aprehensibles en lugar de astronómicos. A continuación, nos gustaría aprender más sobre cómo crecen, interactúan y crecen estas representaciones hiperbólicas dinámicas en el cerebro. y comunicarse entre sí».

Esta investigación fue publicada en Neurociencia de la naturaleza.