Los Neurocientíficos Logran Un Gran Avance En Un Rompecabezas De 200 Años: Nueva Ley Psicofísica

Rompecabezas del tiempo

El tiempo tiene la clave para la explicación de la ley de Weber.

Durante siglos, el mundo mental de la mente y el mundo físico fueron tratados como completamente distintos. Si bien el movimiento de los objetos inanimados se podía medir y, en última instancia, predecir con la ayuda de las matemáticas, el movimiento de los organismos, su comportamiento, parecía estar determinado por diferentes fuerzas, bajo el control de la voluntad.

Hace unos 200 años, el médico alemán Ernst Heinrich Weber hizo una observación aparentemente inocua que condujo al nacimiento de la disciplina de la Psicofísica , la ciencia que relaciona los estímulos físicos en el mundo y las sensaciones que evocan en la mente de un sujeto. Weber pidió a los sujetos que dijeran cuál de dos pesos ligeramente diferentes era más pesado. A partir de estos experimentos, descubrió que la probabilidad de que un sujeto haga la elección correcta solo depende de la relación entre los pesos.

Por ejemplo, si un sujeto tiene razón el 75% de las veces al comparar un peso de 1 kg y un peso de 1,1 kg, entonces también tendrá razón el 75% de las veces al comparar dos pesos de 2 y 2,2 kg o, en general, cualquier par de pesas donde una sea un 10% más pesada que la otra. Esta regla simple pero precisa abrió la puerta a la cuantificación del comportamiento en términos de “leyes” matemáticas.

Desde entonces, las observaciones de Weber se han generalizado a todas las modalidades sensoriales en muchas especies animales, lo que lleva a lo que ahora se conoce como Ley de Weber. Es la ley más antigua y más firmemente establecida en psicofísica. Las leyes psicofísicas describen reglas precisas de percepción y son importantes porque pueden usarse para obtener explicaciones matemáticas del comportamiento en términos de procesos cerebrales, al igual que los patrones precisos de movimiento de los planetas en el cielo fueron útiles para comprender la gravitación.

Se han propuesto muchas explicaciones para la ley de Weber a lo largo de los años. Aunque todos pueden explicar los hallazgos de Weber, no se encontró ninguna prueba experimental para identificar qué modelo era correcto. Por tanto, el enigma de una explicación matemática de la ley de Weber quedó abierto.

Ahora, un equipo de investigadores del Centro Champalimaud para lo Desconocido en Lisboa, Portugal, ha descubierto que la Ley de Weber puede describirse como la consecuencia de una nueva regla psicofísica que implica el tiempo que lleva tomar una decisión, no solo el resultado de la decisión. El equipo ha demostrado que esta nueva regla es suficiente para derivar un modelo matemático único y preciso que describa el proceso cognitivo subyacente a la Ley de Weber. Sus resultados se describen en un artículo publicado en la revista científica Nature Neuroscience .

El tiempo es clave

En este nuevo estudio, Alfonso Renart, el investigador principal que dirigió el estudio, y su equipo, entrenaron ratas para discriminar entre dos sonidos de intensidades ligeramente diferentes. Construyeron unos auriculares minúsculos, especialmente adaptados a la cabeza de las ratas, y los utilizaron para transmitir sonidos simultáneamente a ambos oídos.

En cada prueba, el sonido en uno de los dos altavoces sería un poco más alto, y el trabajo de la rata consistía en informar qué altavoz reproducía el sonido más alto orientándose hacia el lado correspondiente. “Este comportamiento es natural para las ratas, porque orientan la cabeza hacia la fuente de un sonido, al igual que nosotros”, explica José Pardo-Vazquez, uno de los coautores del artículo. Las ratas podían experimentar el sonido todo el tiempo que necesitaran para tomar una decisión. Por lo tanto, cada intento proporcionó una opción y un momento de decisión.

“Nuestros experimentos confirmaron que el comportamiento de los animales coincidía con la Ley de Weber”, dice Pardo-Vazquez. “Su capacidad para decir cuál de los dos sonidos era más fuerte solo dependía de la relación entre las intensidades de los sonidos. Si la rata tuviera que comparar las intensidades de dos sonidos que se tocaron suavemente, su exactitud era tan bueno como con un par de sonidos que se tocaban en voz alta, siempre que ambos pares tuvieran la misma proporción de intensidad “.

Luego, el equipo comenzó a analizar en detalle cuánto tiempo tardaban las ratas en tomar sus decisiones, un paso que resultó ser crítico. “Por lo general, los estudios de la ley de Weber se centraron en la precisión de la discriminación, que es lo que describió el propio Weber”, explica Pardo-Vázquez. “Sorprendentemente, el tiempo necesario para decidir ha recibido poca atención”. El equipo se dio cuenta de que los tiempos de decisión y el volumen del par de sonidos estaban vinculados : cuanto más fuertes son los sonidos, más corto es el tiempo de decisión. De hecho, demostraron que la naturaleza de este vínculo era única y matemáticamente precisa, haciendo que los tiempos de decisión observados, por ejemplo, en una discriminación entre dos sonidos silenciosos, fueran exactamente proporcionales a los tiempos de decisión medidos cuando el sujeto discriminaba entre dos sonidos fuertes – siempre que sus intensidades relativas sean constantes.

Más allá de la ley de Weber

De hecho, el equipo había descubierto una nueva “ley psicofísica”, a la que se referían como “Equivalencia de intensidad de tiempo en la discriminación” (TIED), porque vinculaba la intensidad general de un par de sonidos y el tiempo que se tardaba en discriminar entre ellos. El TIED es más estricto que la ley de Weber, porque no solo vincula la precisión de los pares de discriminaciones, sino que también vincula sus tiempos de decisión asociados. “La precisión de esta relación entre los tiempos de decisión en nuestros experimentos es asombrosa”, dice Pardo-Vázquez, “es inusual que el comportamiento de los animales pueda describirse con tanta precisión matemática”.

Para investigar si el TIED se mantuvo también en diferentes condiciones, el equipo realizó el mismo tipo de experimento con sujetos humanos, obteniendo resultados similares. También analizaron experimentos realizados por otros en los que las ratas realizan discriminaciones olfativas de mezclas de olores, nuevamente con el mismo resultado. “Aún es pronto para decir si el TIED es tan general como la ley de Weber, pero el hecho de que obtuvimos los mismos resultados en dos especies y en dos modalidades sensoriales es un primer paso alentador”, concluyó Pardo-Vázquez.

Acercándose al modelo correcto

Se han propuesto decenas de modelos matemáticos a lo largo de los años para explicar la ley de Weber, pero no existía una prueba experimental clara para distinguirlos. Los investigadores razonaron que el TIED ofrecía un camino a seguir. Su análisis reveló que para ser consistente con el TIED, un modelo matemático de la tarea de discriminación necesitaría satisfacer un conjunto de condiciones estrictas. “Fue fantástico”, dice Juan Castiñeiras, otro coautor del estudio. “El TIED restringió el mundo de las posibles explicaciones y, por lo tanto, resolvió la ambigüedad entre los muchos modelos propuestos de la ley de Weber”. Un modelo propuesto previamente por el psicólogo Stephen Link a finales de los 80 estuvo cerca de la solución, pero pasó por alto una condición importante que describe cómo la intensidad de los estímulos sensoriales está codificada por la actividad de las neuronas sensoriales.

El paso final fue tomar este conjunto de condiciones y construir un modelo para probar la precisión con la que contabilizaba el comportamiento de las ratas. “Analizamos el modelo más simple con el menor número posible de parámetros”, explica Castiñeiras. Cuando se eligieron los valores de estos parámetros para maximizar la similitud con el comportamiento de las ratas, descubrieron que el ajuste del modelo era notable. “Incluso el modelo más simple capturó con eficacia todo lo que pudimos medir sin casi ningún error. Esto fortaleció enormemente nuestra confianza en que el modelo describe algo verdadero sobre cómo funciona la percepción ”, dice Renart.

Experimentos y teorías precisas conducen a un progreso definitivo

Estos resultados se destacan en su campo por la precisión tanto de la nueva regla psicofísica como del modelo matemático que describe los datos experimentales. “Aunque se observa con menos frecuencia, en biología y en el estudio del comportamiento, como en la física, los resultados experimentales precisos permiten explicaciones precisas que resuelven ambigüedades anteriores y, por lo tanto, constituyen un progreso”, dice Renart. Por ejemplo, sus resultados sugieren que una de las principales teorías de la psicofísica no era adecuada para describir el TIED. “Producir explicaciones matemáticas que descarten teorías en competencia es muy raro en neurociencia, porque siempre existe la posibilidad de modificar levemente un modelo para hacerlo compatible con los datos experimentales”, señala Castiñeiras. “Demostramos que una teoría muy influyente en psicofísica (llamada Teoría de detección de señales) no modelaba los tiempos de decisión y, por lo tanto, no podía describir el TIED. Perdió la esencia de la explicación de la ley de Weber “.

Uno de los próximos objetivos del equipo es entender cómo el cerebro implementa el modelo matemático que han identificado: “Queremos determinar qué áreas cerebrales son importantes en nuestra tarea, y cómo las neuronas de estos circuitos llevan a cabo los diferentes elementos computacionales del modelo ”, concluye Renart.

Referencia: “El fundamento mecanicista de la ley de Weber” de Jose L. Pardo-Vazquez, Juan R. Castiñeiras-de Saa, Mafalda Valente, Iris Damião, Tiago Costa, M. Inês Vicente, André G. Mendonça, Zachary F. Mainen y Alfonso Renart, 12 de agosto de 2019, Nature Neuroscience .
DOI: 10.1038 / s41593-019-0439-7

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