La información que llega desde la retina se canaliza a dos vías en el sistema visual del cerebro: una responsable del procesamiento del color y los detalles espaciales finos, y otra que participa en la localización espacial y la detección de altas frecuencias temporales. Un nuevo estudio del MIT explica cómo estas dos vías pueden verse influenciadas por factores del desarrollo.

Los recién nacidos suelen presentar baja agudeza visual y visión cromática deficiente debido a que sus conos retinianos no están bien desarrollados al nacer. Esto significa que, desde temprana edad, ven imágenes borrosas y con colores reducidos. El equipo del MIT propone que esta visión borrosa y limitada por el color podría provocar que algunas neuronas se especialicen en frecuencias espaciales bajas y una baja sintonización cromática, lo que corresponde al llamado sistema magnocelular. Posteriormente, al mejorar la visión, las células pueden sintonizar con detalles más finos y colores más intensos, en consonancia con la otra vía, conocida como sistema parvocelular.

Para comprobar su hipótesis, los investigadores entrenaron modelos computacionales de visión con una trayectoria de entrada similar a la que reciben los bebés humanos en sus primeros años de vida: imágenes de baja calidad al principio, seguidas de imágenes a todo color y más nítidas posteriormente. Descubrieron que estos modelos desarrollaron unidades de procesamiento con campos receptivos que exhibían cierta similitud con la división de las vías magnocelulares y parvocelulares en el sistema visual humano. Los modelos de visión entrenados únicamente con imágenes de alta calidad no desarrollaron características tan distintivas.

“Los hallazgos sugieren potencialmente una explicación mecanicista del surgimiento de la distinción parvo/magno, que es uno de los principios organizadores clave de la vía visual en el cerebro de los mamíferos”, dice Pawan Sinha, profesor de ciencias cerebrales y cognitivas del MIT y autor principal del estudio.

Los investigadores posdoctorales del MIT Marin Vogelsang y Lukas Vogelsang son los autores principales del estudio, que se publica hoy en la revista Communications Biology. Sidney Diamond, investigador afiliado al MIT, y Gordon Pipa, profesor de neuroinformática en la Universidad de Osnabrück, también son autores del artículo.

Entrada sensorial

La idea de que la información visual de baja calidad podría ser beneficiosa para el desarrollo surgió de estudios con niños que nacieron ciegos pero que posteriormente recuperaron la vista. Una iniciativa del laboratorio de Sinha, el Proyecto Prakash, ha examinado y tratado a miles de niños en la India, donde las formas reversibles de pérdida de visión, como las cataratas, son relativamente comunes. Tras recuperar la vista, muchos de estos niños se ofrecen como voluntarios para participar en estudios en los que Sinha y sus colegas monitorean su desarrollo visual.

En uno de estos estudios, los investigadores descubrieron que los niños sometidos a la extracción de cataratas presentaban una marcada disminución en el reconocimiento de objetos al ver imágenes en blanco y negro, en comparación con las de color. Estos hallazgos llevaron a los investigadores a plantear la hipótesis de que la reducción de la percepción del color, característica del desarrollo temprano típico, lejos de ser un obstáculo, permite al cerebro aprender a reconocer objetos incluso en imágenes con colores empobrecidos o alterados.

“Negar el acceso a colores intensos desde el principio parece ser una estrategia poderosa para generar resiliencia a los cambios de color y hacer que el sistema sea más robusto contra la pérdida de color en las imágenes”, afirma Sinha.

En ese estudio, los investigadores también descubrieron que, cuando los modelos computacionales de visión se entrenaron inicialmente con imágenes en escala de grises, seguidas de imágenes a color, su capacidad para reconocer objetos fue más robusta que la de los modelos entrenados solo con imágenes a color. De igual manera, otro estudio del laboratorio reveló que los modelos obtuvieron mejores resultados cuando se entrenaron primero con imágenes borrosas, seguidas de imágenes más nítidas.

Para profundizar en estos hallazgos, el equipo del MIT quiso explorar las posibles consecuencias de que ambas características (color y agudeza visual) estuvieran limitadas al inicio del desarrollo. Plantearon la hipótesis de que estas limitaciones podrían contribuir al desarrollo de las vías magnocelular y parvocelular.

Además de su alta sensibilidad al color, las células de la vía parvocelular poseen campos receptivos reducidos, lo que significa que reciben información de grupos más compactos de células ganglionares de la retina. Esto les ayuda a procesar detalles finos. Las células de la vía magnocelular almacenan información en áreas más extensas, lo que les permite procesar información espacial más global.

Para comprobar su hipótesis de que las progresiones del desarrollo podrían contribuir a la selectividad de las células magno y parvo, los investigadores entrenaron modelos con dos conjuntos de imágenes diferentes. A un modelo se le presentó un conjunto de datos estándar de imágenes que se utilizan para entrenar a los modelos a categorizar objetos. El otro conjunto de datos se diseñó para imitar aproximadamente la información que el sistema visual humano recibe desde el nacimiento. Estos datos "biomiméticos" consisten en imágenes en escala de grises de baja resolución en la primera mitad del entrenamiento, seguidas de imágenes a color de alta resolución en la segunda mitad.

Tras el entrenamiento de los modelos, los investigadores analizaron sus unidades de procesamiento (nodos dentro de la red que guardan cierta similitud con los grupos de células que procesan la información visual en el cerebro). Descubrieron que los modelos entrenados con datos biomiméticos desarrollaron un subconjunto específico de unidades que responden conjuntamente a entradas de baja frecuencia espacial y de color, similar a la vía magnocelular. Además, estos modelos biomiméticos exhibieron grupos de unidades parvocelulares más heterogéneas, sintonizadas predominantemente con frecuencias espaciales más altas o señales de color más ricas. Esta distinción no se observó en los modelos entrenados con imágenes a todo color y de alta resolución desde el inicio.

“Esto proporciona cierto respaldo a la idea de que la ´correlación´ que vemos en el sistema biológico podría ser una consecuencia de los tipos de entradas que están disponibles al mismo tiempo en el desarrollo normal”, dice Lukas Vogelsang.

Reconocimiento de objetos

Los investigadores también realizaron pruebas adicionales para revelar qué estrategias utilizaban los modelos con diferentes niveles de entrenamiento en tareas de reconocimiento de objetos. En una de ellas, les pidieron que categorizaran imágenes de objetos cuya forma y textura no coincidían; por ejemplo, un animal con forma de gato pero textura de elefante.

Esta es una técnica que varios investigadores del campo han empleado para determinar qué atributos de imagen utiliza un modelo para categorizar objetos: la forma general o las texturas de grano fino. El equipo del MIT descubrió que los modelos entrenados con información biomimética eran notablemente más propensos a usar la forma de un objeto para tomar esas decisiones, tal como lo hacen los humanos. Además, cuando los investigadores eliminaron sistemáticamente las unidades de tipo magnocelular de los modelos, estos perdieron rápidamente su tendencia a usar la forma para realizar categorizaciones.

En otro conjunto de experimentos, los investigadores entrenaron los modelos con videos en lugar de imágenes, lo que introduce una dimensión temporal. Además de la baja resolución espacial y la sensibilidad al color, la vía magnocelular responde a altas frecuencias temporales, lo que le permite detectar rápidamente cambios en la posición de un objeto. Cuando los modelos se entrenaron con entrada de video biomimético, las unidades más sintonizadas con altas frecuencias temporales fueron precisamente las que también exhibieron propiedades similares a las magnocelulares en el dominio espacial.

En general, los resultados respaldan la idea de que la información sensorial de baja calidad en las primeras etapas de la vida puede contribuir a la organización de las vías de procesamiento sensorial del cerebro, según los investigadores. Los hallazgos no descartan la especificación innata de las vías de magno y parvo, pero demuestran que la experiencia visual a lo largo del desarrollo también podría influir.

“El tema general que parece estar surgiendo es que la progresión del desarrollo que atravesamos está cuidadosamente estructurada para brindarnos ciertos tipos de competencias perceptivas, y también puede tener consecuencias en términos de la propia organización del cerebro”, dice Sinha.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, el Centro Simons para el Cerebro Social, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y la Fundación de Ciencias Yamada.

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