Neurociencia Cognitiva: Tema 1 PDF

Tema 1 Neurociencia Cognitiva Tema 1. Introducción a la neurociencia cognitiva Índice Esquema Ideas clave 1.1. Introducción y objetivos 1.2. ¿Qué es la neurociencia cognitiva? 1.3. Antecedentes de la Neurociencia Cognitiva 1.4. Neurociencia cognitiva: un nuevo paradigma 1.5. Referencias bibliográficas A fondo The International Brain Initiative The coming decade of digital brain research Test Esquema Neurociencia Cognitiva Tema 1. Esquema © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 3 Ideas clave 1.1. Introducción y objetivos Este tema trata de ser una introducción conceptual a la neurociencia cognitiva como disciplina de estudio dentro de la neurociencia. Aunque con similitudes y puntos en común con otros campos, la neurociencia cognitiva presenta ciertas particularidades que la diferencian de otros ámbitos de la psicobiología. Estas coincidencias y diferencias se tratan en este tema. Una de las cuestiones más importantes para empezar a adentrarse en un campo de conocimiento es intentar definirlo. Así pues, el primer apartado del tema trata de deﬁnir qué es la neurociencia cognitiva tal y como se concibe actualmente entre los expertos en el asunto. Luego, como no se puede saber a dónde se va sin saber de dónde se viene, se realiza un breve recorrido por los antecedentes históricos de esta disciplina, y se hace énfasis en los factores que contribuyeron a su aparición y adquisición de entidad propia. Por último, se describe el modo en que la tecnología y los avances técnicos han desaﬁado el conocimiento histórico sobre el cerebro, creando la necesidad de plantear un paradigma actual que responda a la última evidencia cientíﬁca disponible. Al finalizar el tema, se habrán alcanzado los siguientes objetivos: ▸ Conocer las particularidades de la neurociencia cognitiva en comparación con otras disciplinas psicobiológicas. Saber identificar las diferencias y comprender los aspectos que hacen de la neurociencia cognitiva un campo de estudio propio. ▸ Conocer y comprender la influencia de distintas disciplinas y avances tecnológicos que dieron pie a la aparición de la neurociencia cognitiva como disciplina neurocientífica. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 4 Ideas clave ▸ Comprender e identificar el contexto científico en el que se desarrolla el conocimiento neurocognitivo en la actualidad. Así como interiorizar la necesidad de dejar atrás visiones anteriores en aras de un estudio más certero del cerebro. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 5 Ideas clave 1.2. ¿Qué es la neurociencia cognitiva? La neurociencia cognitiva es el campo cientíﬁco que se ocupa del estudio de los procesos biológicos y los aspectos que subyacen a la cognición. El término cognición colectivamente se reﬁere a una variedad de procesos mentales superiores como pensar, percibir, imaginar, hablar, actuar y planiﬁcar. La neurociencia cognitiva estudia cómo el cerebro organiza e implementa estos procesos, así como los métodos que hacen posible el estudio de estos. De este modo, se convierte en una disciplina puente entre la psicología cognitiva, por un lado, y la biología y la neurociencia por otro. El énfasis de esta disciplina se encuentra en las conexiones neuronales involucradas en los procesos mentales. Aborda las cuestiones de cómo las actividades cognitivas se ven afectadas o controladas por los circuitos neuronales del cerebro. Para ello, se basa en teorías de la ciencia cognitiva junto con la evidencia de la neurobiología y las ciencias de la computación. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 6 Ideas clave 1.3. Antecedentes de la Neurociencia Cognitiva La localización de las funciones cognitivas en el cerebro tiene una larga historia. El primer intento sistemático de relacionar la topografía cerebral con las funciones psíquicas corresponde a Franz Joseph Gall, conocido principalmente como fundador de la frenología. La frenología se puede entender como la neurociencia funcional del siglo XIX, ya que se centró en atribuir características mentales especíﬁcas a las diferentes regiones del cerebro. No obstante, a diferencia del localizacionismo más actual, los postulados de la frenología carecían por completo de fundamento empírico. Aun así, la idea básica de diferenciar las partes del cerebro que cumplen diferentes funciones allanó el camino para futuros desarrollos en el siglo XIX, de entre los cuales los más notables son los informes de Broca de dos pacientes con daño cerebral. Un poco más tarde, John Hughlings Jackson describiría que las funciones sensoriales y motoras se hallaban ubicadas en diferentes zonas de la corteza y postularía un modelo de organización jerárquica del sistema nervioso, según el cual los niveles superiores controlan los inferiores y donde múltiples áreas cerebrales contribuyen a los procesos cerebrales complejos (Kosslyn y Andersen, 1992; Finger, 1994). Con esta idea, a Jackson se le puede considerar como un precursor de los postulados de la neurociencia cognitiva actual. Los primeros estudios neuroﬁsiológicos de registro de actividad unitaria en la corteza del mono demostraron la existencia de varias representaciones de la retina más allá de la corteza estriada. Paralelamente, los trabajos anatómicos de Semir Zeki sobre las conexiones entre V1 y otras áreas visuales (1978) signiﬁcarían el inicio de dos décadas de investigación que llevarían a la propuesta de la existencia de dos vías segregadas de procesamiento en el córtex visual (DeYoe y Van Essen, 1988). Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 7 Ideas clave Simultáneamente, se iban descubriendo también múltiples zonas funcionales en otras áreas. Estos estudios condujeron a una aparente resolución del debate localizacionista/globalista, al poner de maniﬁesto que las funciones complejas, tales como la percepción, la memoria o el razonamiento, se llevan a cabo por un conjunto de procesos subyacentes de localización especíﬁca, cada uno de los cuales es por sí solo insuﬁciente para explicar la función. En este contexto se fue conﬁgurando la emergencia de la neurociencia cognitiva como la ciencia que debería dar respuesta a la cuestión de cuál es el proceso más simple en el cerebro y de cómo estos interaccionan entre sí para sustentar las funciones complejas. Mientras que los descubrimientos en las neurociencias continuaron a buen ritmo a lo largo de los siglos XIX y XX, la formación de la psicología como disciplina a ﬁnes del siglo XIX alejó el estudio de la mente de sus fundamentos biológicos. Esto no reﬂejaba una creencia en el dualismo. Se debió, en parte, a algunas limitaciones pragmáticas. Los primeros pioneros de la psicología, como William James y Sigmund Freud, estaban interesados en temas como la conciencia, la atención y la personalidad. La neurociencia no ha tenido prácticamente nada que decir sobre estos temas hasta hace muy poco tiempo. Otra razón del cisma entre la psicología y la biología radica en la noción de que uno puede desarrollar teorías cognitivas coherentes y comprobables que no hacen aﬁrmaciones sobre el cerebro. Los fundamentos modernos de la psicología cognitiva se encuentran en la metáfora informática del cerebro y en el enfoque de procesamiento de información, popular desde la década de 1950 en adelante. Por ejemplo, Broadbent argumentó que gran parte de la cognición consiste en una secuencia de etapas de procesamiento. En su modelo simple, ocurren procesos de percepción seguidos de procesos de atención que transﬁeren información a la memoria a corto plazo y de allí a la memoria a largo plazo. Estos a menudo se dibujaban como una serie de diagramas Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 8 Ideas clave de caja y ﬂecha. La implicación era que uno podía entender el sistema cognitivo de la misma manera que podía entender la serie de pasos realizados por un programa de computadora y sin referencia al cerebro. Figura 1. Ejemplos de modelos de cognición de caja y flecha y conexionistas. Fuente: Ward, 2020. Sin embargo, a ﬁnales del siglo XX se realizaron una serie de estudios que lograron iniciar la convergencia entre psicología y biología. Por un lado, se descubrió que las células corticales tienen propiedades de respuesta altamente selectivas. Y que estas células de propiedades similares se organizan en columnas corticales de especialización funcional, dando lugar al concepto de organización modular de la corteza cerebral. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 9 Ideas clave La simulación de modelos a nivel celular, molecular y/o de sistemas puede facilitar la prueba de hipótesis especíﬁcas o la predicción de propiedades de las estructuras cerebrales al integrar al mismo tiempo hallazgos de diferentes investigadores y obtenidos con diversas técnicas. Esto, a su vez, es fundamental para traducir los hallazgos de la neurociencia a la medicina digital, para proponer nuevas estrategias de intervención y para potenciar las tecnologías inspiradas en la neurología que aprovechan un creciente cuerpo de conocimientos sobre la percepción, la plasticidad, el aprendizaje y la memoria. El segundo gran avance hacia la convergencia fue el descubrimiento de las correlaciones entre el movimiento y patrones especíﬁcos de actividad neuronal. Esto proporcionó una vía de entrada a propuestas que buscaran estudiar la representación mental de conductas especíﬁcas mediante el registro de actividad neuronal (Cowan et al., 2000). Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 10 Ideas clave 1.4. Neurociencia cognitiva: un nuevo paradigma La importancia de la neurociencia computacional se fue haciendo cada vez más evidente a medida que se avanzaba en la creciente complejidad del estudio del cerebro. David Marr (1976) reconoció que por encima del nivel de implementación neuronal se sitúan otros dos niveles de organización: el algorítmico y el computacional. La necesidad de involucrar a la neurociencia computacional ha crecido en paralelo con las capacidades computacionales, que se han expandido en el siglo XXI hasta el punto en que la neurociencia computacional se ha convertido en un compañero esencial de la neurociencia experimental y clínica. A partir del modelado de procesos o cómputos concretos, hoy es posible considerar modelos más ambiciosos, más grandes e integradores. Los enfoques computacionales permiten analizar conjuntos de datos grandes y complejos de manera eﬁciente, respaldados por redes neuronales artiﬁciales, teoría, modelado y simulación, para vincular la estructura y la función del cerebro. L a investigación del cerebro ha entrado en una nueva época impulsada por importantes avances metodológicos y la integración y modelado de datos disponibles en múltiples niveles de análisis, desde molecular a sistémico. La investigación en la intersección de la neurociencia, la computación y la robótica tiene el potencial de hacer avanzar las tecnologías inspiradas en las ciencias del cerebro, aprovechando un creciente cuerpo de conocimientos sobre la percepción, la plasticidad y el aprendizaje. Un enfoque sistemático, como el pionero en el Proyecto Cerebro Humano (HBP), será esencial para enfrentar los apremiantes desafíos médicos y tecnológicos de la próxima década. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 11 Ideas clave Human Brain Project El Human Brain Project (HBP) es una iniciativa europea de investigación a largo plazo y a gran escala, pionera en la investigación digital del cerebro. Su objetivo es obtener una comprensión profunda de la compleja estructura y función del cerebro humano con un enfoque interdisciplinario único. Los cientíﬁcos del HBP emplean métodos muy avanzados de computación, neuroinformática e inteligencia artificial para llevar a cabo investigaciones cerebrales de vanguardia. Los conocimientos adquiridos se traducen en novedosas aplicaciones en medicina y avances tecnológicos. Los investigadores del HBP también abordan las implicaciones sociales y éticas derivadas de la investigación del cerebro y sus aplicaciones. El HBP fue lanzado en 2013 con una duración de 10 años, durante los cuales ha recibido y recibe ﬁnanciación de la Comisión Europea y más de 120 socios comerciales. Uno de los recursos ﬁnanciados es EBRAINS, una infraestructura de investigación en neurociencia digital que reúne a una comunidad multi y transdisciplinar de investigadores unidos por la búsqueda de comprender el cerebro, con ideas y perspectivas fascinantes para los beneficios sociales. EBRAINS ofrece una amplia gama de conjuntos de datos cerebrales, un atlas cerebral multinivel, herramientas de modelado y simulación, acceso a recursos informáticos de alto rendimiento y plataformas robóticas y neuromórﬁcas para investigadores. En su fase ﬁnal, que va de abril de 2020 a septiembre de 2023, el HBP se centra en tres áreas cientíﬁcas centrales: las redes cerebrales, su papel en la consciencia y las redes neuronales artiﬁciales, así como en la expansión de la innovadora infraestructura EBRAINS y sus herramientas y servicios. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 12 Ideas clave El recurso The International Brain Initiative que encontrarás en A fondo expande este apartado. El futuro de la neurociencia cognitiva Aunque con incertidumbre, gran parte de la investigación actual se centra en comprender la mente y el cerebro como una red. Una red es un patrón de actividad que cambia dinámicamente en varias regiones del cerebro. En lugar de pensar en el cerebro como una sola red, podría haber una multitud de redes diferentes que, a su vez, se activan o desactivan según el tipo de pensamiento o comportamiento que se necesite. Por lo tanto, no solo las regiones del cerebro tienen un grado de especialización funcional, sino que las redes enteras también pueden tener algunas especializaciones. Por supuesto, las redes no son nada nuevo. Las redes estuvieron allí desde el principio en forma de diagramas de caja negra y ﬂecha. Sin embargo, el panorama contemporáneo y emergente luce muy diferente a las propuestas iniciales. En primer lugar, la arquitectura de red que soporta la cognición se deriva de observaciones biológicas del conectoma estructural y funcional. Básicamente, esto crea un diagrama de cableado (como un mapa del metro) en el que algunas regiones del cerebro actúan como ejes centrales dentro de la red (donde se cruzan varias líneas de metro, en esa analogía) y otras regiones están menos conectadas. En segundo lugar, se ha dejado de conceptualizar los centros de la red como unidades altamente especializadas. En cambio, las regiones del cerebro pueden realizar una variedad de funciones diferentes según las otras partes del cerebro con las que se comunican. Un buen ejemplo es la propia región de Broca que, si bien hay acuerdo en que es importante para el lenguaje, también parece estar involucrada en Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 13 Ideas clave otros procesos cognitivos, como la detección de errores en la ejecución musical (Koelsch et al. 2006). Todas estas medidas y nuevos enfoques han logrado un avance sin precedentes en la neurociencia cognitiva. Sin embargo, a pesar de los hallazgos obtenidos hasta ahora, existen todavía multitud de cuestiones abiertas que deben ser respondidas si el objetivo es obtener una comprensión profunda del cerebro. Preguntas acerca de la variabilidad intra e inter sujeto en procesos básicos de procesamiento, el modo en que aumenta la complejidad de procesamiento según se integra diferentes redes neurales o la naturaleza de la consciencia son varias de las preguntas que están actualmente en estudio. Por lo tanto, el desafío central de la neurociencia cognitiva para el futuro es desarrollar nuevas formas de describir la relación entre la estructura cerebral y la función. El recurso The coming decade of digital brain research que encontrarás en A fondo expande este apartado. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 14 Ideas clave A continuación, en el vídeo titulado IA y Neurociencia Cognitiva, se presentan los distintos tipos de Inteligencia Artiﬁcial, su deﬁnición, ámbito de actuación, su relación con la neurociencia cognitiva y la aplicación que se puede aprovechar de ella en este campo. Accede al vídeo: https://unir.cloud.panopto.eu/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=01b34345-124140ce-845e-b04d00c4e30f Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 15 Ideas clave A continuación, en el vídeo titulado Mujeres en Neurociencia, veremos un repaso a varias mujeres de la historia cuya contribución a la neurociencia ha sido obviada u olvidada. Accede al vídeo: https://unir.cloud.panopto.eu/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=cb72e4f8-65b249fc-a820-b04d00c4e2ef Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 16 Ideas clave 1.5. Referencias bibliográficas Cowan, W. M., Harter, D. H. y Kandel, E. R. (2000). The emergence of modern neuroscience: some implications for neurology and psychiatry. Annual review of neuroscience, 23, 343–391. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.23.1.343 DeYoe, E. A. y Van Essen, D. C. (1988). Concurrent processing streams in monkey visual cortex. Trends in neurosciences, 11 (5), 219–226. https://doi.org/10.1016/01662236(88)90130-0 Finger, S. (1994). Origins of Neuroscience. Oxford University Press. Koelsch, S., Fritz, T., van Cramon, D. Y., Müller, K. y Friederici, A. D. (2006). Investigating emotion with music: an fMRI study. Human Brain Mapping, 27(3), 239– 250. https://doi.org/10.1002/hbm.20180 Kosslyn, S. M. y Andersen, R. A. (Eds.) (1992). Frontiers in Cognitive Neuroscience. Cambridge, MA: The MIT Press. Marr, D. (1976). Early processing of visual information. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B, 275, 483–524. Ward, J. (2020). The student's guide to cognitive neuroscience (4th ed). Routledge. Zeki S. M. (1978). Functional specialisation in the visual cortex of the rhesus monkey. Nature, 274(5670), 423–428. https://doi.org/10.1038/274423a0 Neurociencia Cognitiva Tema 1. Ideas clave © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 17 A fondo The International Brain Initiative Página de International Brain Initiative (https://www.internationalbraininitiative.org/) Esta web es la página oﬁcial de la iniciativa internacional del cerebro. En ella se explica el origen del proyecto y se muestra la necesidad e importancia de una iniciativa en una empresa como tal. Neurociencia Cognitiva Tema 1. A fondo © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 18 A fondo The coming decade of digital brain research Amunts, K., DeFelipe, J., Pennartz, C., Destexhe, A., Migliore, M., Ryvlin, P., Furber, S., Knoll, A., Bitsch, L., Bjaalie, J. G., Ioannidis, Y., Lippert, T., Sanchez-Vives, M. V., Goebel, R. y Jirsa, V. (2022). Linking Brain Structure, Activity, and Cognitive Function through Computation. eNeuro, 9(2), ENEURO.0316-21.2022. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8925650/ Interesante artículo donde se muestran los principales retos en el futuro de la neurociencia cognitiva. Neurociencia Cognitiva Tema 1. A fondo © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 19 Test 1. ¿Cuál de las siguientes disciplinas no es fundacional de la neurociencia cognitiva? A. Psicología cognitiva. B. Ciencias de la computación. C. Neurociencia. D. Antropología. 2. ¿Cómo se llama la aproximación al estudio del cerebro que vincula una región anatómica con una función cognitiva? A. Localizacionismo. B. Globalismo. C. Frenología. D. Neuroanatomía. 3. ¿Cuál de las siguientes personas fue crítica en las propuestas computacionales de la neurociencia cognitiva? A. Albert Einstein. B. David Marr. C. William James. D. Paul Broca. 4. ¿Qué iniciativa europea de investigación a gran escala pretende dar respuesta a preguntas fundamentales sobre el funcionamiento del cerebro? A. La neurociencia funcional. B. El Human Brain Project. C. El EBRAINS. D. La International Brain Initiative. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Test © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 20 Test 5. ¿Cuál de los siguientes campos representa uno de los retos fundamentales de la neurociencia cognitiva? A. El estudio de la consciencia. B. El estudio de la adquisición y consolidación de información. C. A y B son correctas. D. Ninguna es correcta. 6. ¿Cuál de las siguientes propuestas reﬂeja en mayor medida una aproximación realista al estudio del cerebro de cara al futuro? A. Comprender el cerebro como una gran red interconectada que funciona de modo coordinado. B. Comprender que diferentes regiones del cerebro son responsables únicas de determinados procesos y funciones psicológicas. C. A y B son correctas. D. Ninguna es correcta. 7. ¿Cuál fue uno de los principales motivos de cisma entre la psicología experimental y la neurociencia durante gran parte del siglo XX? A. Que no se sabía la importancia del cerebro en la conducta y la cognición. B. Que los procesos psicológicos eran explicables en términos dinámicos sin necesidad de acudir a bases neurológicas. C. Que hasta el momento todas las preguntas sobre el funcionamiento del cerebro se habían podido responder mediante modelos puramente cognitivos. D. Nunca hubo un cisma real entre las dos disciplinas. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Test © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 21 Test 8. ¿Cuál de los siguientes autores puede considerarse como un precursor de los postulados de la neurociencia cognitiva actual? A. David Marr. B. William James. C. John Hughlings Jackson. D. Sigmund Freud. 9. ¿Cuál de los siguientes avances sirvió para ayudar a la convergencia entre psicología y biología? A. Descubrir que las neuronas se agrupaban de forma inespecíﬁca y se organizaban de forma aleatoria en cortezas adyacentes. B. Que determinadas acciones producían un patrón de actividad neural específica en determinadas áreas de la corteza cerebral. C. A y B son correctas. D. Ninguna es correcta. 10. Según Marr, ¿qué otros dos niveles de organización deben sumarse al nivel de implementación neuronal? A. Anatómico y funcional. B. Molecular y sistémico. C. Dualista y empírico. D. Algorítmico y computacional. Neurociencia Cognitiva Tema 1. Test © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) 22

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