Hipótesis del reciclaje neuronal

La hipótesis del reciclaje neuronal fue propuesta por Stanislas Dehaene en el campo de la neurociencia cognitiva ^{[ 1 ]} en un intento por explicar los procesos neuronales subyacentes que permiten a los humanos adquirir capacidades cognitivas de reciente invención. ^{[ 2 ]} Esta hipótesis se formuló en respuesta a la «paradoja de la lectura», ^{[ 2 ]} que afirma que estos procesos cognitivos son invenciones culturales demasiado modernas para ser producto de la evolución . La paradoja radica en el hecho de que la evidencia transcultural sugiere que áreas cerebrales específicas están asociadas con estas funciones. ^{[ 1 ]} El concepto de reciclaje neuronal resuelve esta paradoja al sugerir que las nuevas funciones en realidad utilizan y «reciclan» circuitos cerebrales existentes. Una vez que estas funciones cognitivas encuentran un área cortical dedicada a un propósito similar, pueden invadir el circuito existente. Mediante la plasticidad (una característica continua de la estructura cortical del cerebro para cambiar y reorganizarse a través del aprendizaje), ^{[ 3 ]} la corteza puede adaptarse para acomodar estas nuevas funciones. ^{[ 2 ]}

Hasta hace poco, los científicos sociales no creían que la biología cerebral fuera relevante para su campo y, por lo tanto, nunca intentaron investigar los mecanismos biológicos de adquisiciones culturales como la lectura y la aritmética. ^{[ 4 ]} Muchos de los primeros científicos sociales sostenían la idea de la tabula rasa (pizarra en blanco), que era la noción de que los individuos nacen sin contenido mental y que la organización y función del cerebro provienen únicamente de las experiencias de vida. ^{[ 5 ]} El modelo estándar de las ciencias sociales considera el cerebro simplemente como una gran estructura general de dominio, cuyas funciones han evolucionado gradualmente a través de la influencia cultural. ^{[ 4 ]} Hoy en día, muchos científicos siguen considerando el cerebro como una caja negra , donde solo se pueden medir sus entradas y salidas, pero sus mecanismos internos nunca se conocerán. ^{[ 6 ]}

Uno de los primeros descubrimientos relevantes para esta hipótesis provino del neurólogo francés Joseph Jules Dejerine . Descubrió que un accidente cerebrovascular que afectaba una pequeña área del sistema visual izquierdo del cerebro dejaba a los pacientes con deficiencias selectivas en la lectura. La "ceguera verbal", una pérdida del reconocimiento visual únicamente de letras y palabras, fue el primer diagnóstico que realizó en un paciente y, simultáneamente, la primera conclusión sobre la base cortical de la lectura en el cerebro. El paciente de Dejerine aún podía reconocer números, lo que implicaba además la existencia de áreas separadas del cerebro responsables del reconocimiento de letras y palabras. Tras un estudio más profundo, el neurólogo francés encontró lesiones que afectaban la parte posterior del hemisferio izquierdo, cerca de los lóbulos fusiformes , en su paciente. Actualmente, muchos pacientes han experimentado estos mismos síntomas de ceguera verbal, pero el término se ha cambiado a alexia pura . Ahora se sabe que es el resultado de lesiones en el surco occipitotemporal . ^{[ 4 ]}

Una teoría relevante para esta hipótesis es el concepto de exaptaciones de la teoría evolutiva , que postula que varias características evolucionadas fueron seleccionadas inicialmente para otras funciones, pero posteriormente se adaptaron a su rol actual. En esencia, las presiones evolutivas actuaron sobre los mecanismos existentes para acomodar nuevas funciones que pueden ser más relevantes culturalmente. ^{[ 7 ]}

El reciclaje neuronal es la idea de que los nuevos procesos cognitivos culturales invaden áreas corticales inicialmente dedicadas a funciones diferentes, pero similares. ^{[ 4 ]} Esta arquitectura cortical presenta sesgos previos al aprendizaje, pero a través del reciclaje neuronal, se pueden adquirir nuevas funciones, siempre que encuentren un área cortical adecuada en el cerebro para albergarlas. ^{[ 2 ]} Esta área se denomina «nicho neuronal» de una función cognitiva, que es análogo al concepto biológico de nicho ecológico . ^{[ 2 ]} La nueva función cultural debe ubicar un área cortical cuya función previa sea similar y lo suficientemente plástica como para albergarla. ^{[ 2 ]}

El concepto de reciclaje neuronal es similar a las exaptaciones en la teoría evolutiva, que postula que varias funciones evolucionadas son simplemente subproductos de un antiguo mecanismo biológico. ^{[ 1 ]} Sin embargo, este proceso consiste en la reutilización de mecanismos biológicos que se producen como resultado de la plasticidad cerebral, en lugar de presiones evolutivas sobre una población. ^{[ 1 ]} El reciclaje neuronal produce cambios en cuestión de semanas o años que no requieren una modificación del genoma como sí lo hacen las exaptaciones evolutivas. ^{[ 2 ]}

La hipótesis del reciclaje neuronal se basa en los siguientes supuestos: ^{[ 2 ]}

• La organización del cerebro humano está sujeta a limitaciones anatómicas derivadas de la evolución y, por lo tanto, no es infinitamente plástica . Los mapas neuronales están presentes desde la infancia, lo que influye en el aprendizaje posterior.
• Las herramientas culturales como la lectura y la escritura no están presentes en el cerebro al nacer, sino que deben encontrar un nicho neuronal en el cerebro cuyo circuito esté configurado para realizar una función similar y sea lo suficientemente plástico como para reorientarse lo suficiente para adaptarse a este nuevo uso.
• La organización original de la corteza cerebral nunca se borra por completo una vez que estas herramientas culturales invaden las áreas corticales. En cambio, estas limitaciones neuronales iniciales ejercen una poderosa influencia sobre lo que se puede aprender.

Basándose en estos supuestos, esta hipótesis predice lo siguiente: ^{[ 2 ]}

• Cada herramienta cultural debe estar asociada con áreas corticales específicas, de manera consistente entre individuos y culturas.
• La variabilidad cultural en lo que respecta a los procesos cognitivos adquiridos debería limitarse debido a las limitaciones neuronales.
• La velocidad y la facilidad de las adquisiciones culturales deberían ser predecibles en función de la cantidad y la complejidad del reciclaje necesario.

La lectura forma parte de la cultura humana desde hace aproximadamente 5400  años, por lo que muchos concluyen ^{[ 2 ] [ 8 ]} que es demasiado moderna para ser resultado de la evolución. La hipótesis del reciclaje neuronal propone que el reconocimiento visual de palabras es resultado del reciclaje de estructuras corticales cuyas funciones iniciales eran el reconocimiento de objetos . El área de la forma visual de las palabras se sitúa junto a varias áreas corticales activadas por imágenes de objetos, lo que sugiere que anteriormente estaba predispuesta a desempeñar un papel en el reconocimiento de objetos. Además, las estructuras recicladas adquieren nuevas funciones, como la capacidad de reconocer letras independientemente de su tamaño, forma o mayúsculas/minúsculas. ^{[ 8 ]}

Como se afirma en la hipótesis del reciclaje neuronal, los circuitos cerebrales influyen en nuestra capacidad de aprendizaje. Una de estas influencias identificadas se relaciona con la preferencia por imágenes centrales frente a periféricas en diferentes puntos de la corteza cerebral. Se observó que, en todos los individuos, el área de la forma visual de las palabras se ubicaba en la región de la corteza con una marcada preferencia por imágenes centrales y de grano fino. Esta área es la más adecuada para la lectura, debido al alto grado de precisión visual necesario para desempeñar esta función eficazmente. Otra influencia cortical relevante para la lectura proviene de la lateralización de los hemisferios cerebrales . La lectura activa consistentemente el hemisferio izquierdo, asociado con las habilidades lingüísticas ^{[ 9 ]} y la discriminación entre formas pequeñas, lo que demuestra una clara influencia en las funciones de lectura. Existe una preadaptación de la corteza temporal inferior que utilizamos al aprender a leer. Esta área se activa durante el reconocimiento de objetos invariantes, y su plasticidad suficiente le permite adaptarse a las nuevas formas y símbolos necesarios para la lectura. ^{[ 4 ]}

La plasticidad sináptica es mucho mayor en los niños, ^{[ 4 ]} lo que explica por qué adquieren el lenguaje con mayor facilidad que los adultos. ^{[ 6 ]} La exposición de los niños a la lectura produce una reorientación masiva de la cognición humana en la corteza temporal inferior. ^{[ 4 ]} A medida que los niños aumentan su destreza lectora, el surco occipitotemporal debería fortalecerse, especializándose finalmente también en la escritura. ^{[ 4 ]}

Área de forma de palabra visual

El área de la forma visual de la palabra (VWFA) se encuentra en el surco occipitotemporal lateral izquierdo. ^{[ 10 ]} Esta área se superpone con la parte de la corteza visual ventral que detecta la presencia de uniones de líneas, y por lo tanto se cree que ha proporcionado a la VWFA su nicho neuronal. ^{[ 10 ]} Biederman (1987) descubrió que los vértices de las líneas son más esenciales para el reconocimiento de objetos que los segmentos de línea. ^{[ 11 ]} Transculturalmente, las letras/símbolos utilizados en el lenguaje escrito están todos formados por un pequeño número de líneas que se unen en los vértices. ^{[ 8 ]} Esto sugiere que las limitaciones cerebrales han influido en el desarrollo de los sistemas de escritura y que existen límites en cuanto al tipo de invenciones culturales que podemos incorporar. Además, las simulaciones por computadora han demostrado que la percepción de letras en redes neuronales profundas se facilita mediante el reciclaje de características visuales de bajo nivel aprendidas de imágenes naturales, ^{[ 12 ]} lo que apoya la hipótesis de que la estructura de las formas de las letras ha sido seleccionada culturalmente para coincidir con la estructura de los entornos naturales humanos.

Existe una gran cantidad de evidencia que respalda la existencia del área de la forma visual de las palabras. Esta área se activa únicamente al leer palabras visuales, a diferencia de cuando se pronuncian o se escuchan. Las lesiones en esta ubicación provocan alexia pura , un déficit en el reconocimiento de palabras, mientras que otras habilidades lingüísticas permanecen intactas. ^{[ 2 ]} El área de la forma visual de las palabras se activa al leer palabras reales y pseudopalabras con mayor frecuencia que al leer secuencias aleatorias de consonantes, lo que sugiere que se ha adaptado para incorporar regularidades ortográficas en el lenguaje. ^{[ 1 ]} También representa consistentemente las palabras visuales, independientemente de variaciones irrelevantes, del lado del campo visual en el que se presenten o de si están en mayúsculas o minúsculas. ^{[ 2 ]}

La invención de los números arábigos es incluso más reciente que la lectura y la escritura, y por lo tanto está sujeta al mismo proceso de reciclaje. ^{[ 1 ]} Los estudios de neuroimagen muestran evidencia de que el cálculo mental está asociado con el lóbulo parietal izquierdo y derecho . ^{[ 13 ]} La activación de esta área es directamente proporcional al grado de dificultad del cálculo. Durante la neuroimagen, una pequeña región dentro del surco intraparietal se activa solo durante las tareas de cálculo cuando también se realizan tareas visuoespaciales, lingüísticas y de cálculo. Esta misma área se activa cuando los sujetos deben detectar números solo en una secuencia de estímulos variables, lo que indica que el proceso de cálculo no es necesario para activarla, sino solo el reconocimiento de números. Las lesiones en el surco intraparietal producen graves deficiencias en el cálculo sin deficiencias en procesos relacionados, como las habilidades de razonamiento. ^{[ 2 ]}

La principal crítica dirigida a la hipótesis del reciclaje neuronal se refiere a la existencia del área de la forma visual de las palabras. Los científicos han descubierto, mediante una serie de estudios de neuroimagen, que el surco occipitotemporal izquierdo se activa al leer palabras, y que las lesiones en esta área dificultan la lectura de palabras. ^{[ 1 ]}

Científicos críticos afirman que los pacientes con alexia pura suelen presentar extensas lesiones occipitales izquierdas que incluyen áreas dañadas alrededor del área de procesamiento visual de las palabras. Por lo tanto, es imposible concluir que las deficiencias resultantes sean síntomas causados ​​por la lesión de esa área en particular. Una explicación alternativa propuesta para este fenómeno es el síndrome de desconexión , en el que la lesión occipitotemporal desconecta el área de procesamiento visual del procesamiento del lenguaje. Sin embargo, el hecho de que estos pacientes muestren deficiencias en otras formas de reconocimiento de objetos refuta esta teoría. ^{[ 14 ]}

Mediante estudios de neuroimagen, los científicos descubrieron que el área de procesamiento visual de la forma de las palabras desempeñaba un papel fundamental en la lectura. Sin embargo, también observaron que esta misma área se activaba durante otras tareas de reconocimiento y denominación de objetos. Además, se observó la activación de esta área cuando se pedía a los sujetos que reflexionaran sobre el significado de palabras habladas, escucharan definiciones de objetos y tomaran decisiones significativas sobre ellos, o cuando imaginaban un objeto. Asimismo, esta misma área se activa cuando los sujetos ciegos leen mediante estimulación táctil, lo que implica que el área de procesamiento visual de la forma de las palabras procesa más que solo estímulos visuales. ^{[ 14 ]}

En respuesta a estas críticas, Cohen y Deheane propusieron que existe una especialización funcional en el área de la forma visual de las palabras para la lectura, que es reproducible en diferentes sujetos y culturas. ^{[ 15 ]} No creen que exista una selectividad específica para el reconocimiento de palabras porque se activa con otros estímulos, ^{[ 15 ]} como las tareas de reconocimiento y denominación de objetos mencionadas anteriormente. ^{[ 14 ]} Sin embargo, esto puede explicarse por el hecho de que esta área cortical se recicló para acomodar las funciones de lectura, y por lo tanto es probable que se active en otras tareas similares. ^{[ 15 ]}

Cohen y Dehaene sugieren dos posibles direcciones para estudiar el área de la forma visual de las palabras y llegar a una conclusión: ^{[ 15 ]}

localización espacial

Mediante imágenes de alta resolución espacial, concéntrese en examinar el grado de localización reproducible en el área visual de la forma de las palabras (VWFA). Esto permitirá determinar si pequeñas áreas dentro de esta región están especializadas en el reconocimiento de palabras, ya que los estudios demuestran que no lo está en su totalidad.

Especialización funcional

Para estudiar esto se pueden utilizar métodos de imagen menos precisos. Consisten en examinar la especialización funcional de los procesos de lectura en el área de la forma visual de las palabras para ver si algún proceso asociado con la lectura es específico de esa área.

Nuevos estudios han adaptado esta hipótesis para explicar la plasticidad intermodal que parece ocurrir en personas ciegas. Esto se debe a que otros sentidos en personas ciegas parecen estar agudizados como resultado de la pérdida de visión. Dado que los pacientes ciegos no están expuestos a la nueva función de la lectura visual, el área cortical normalmente dedicada a esta función se utilizará para una función diferente. Por ejemplo, los científicos han descubierto que las redes neuronales dedicadas a detectar sonidos en movimiento en personas ciegas parecen ser reclutadas por el área de la corteza visual responsable del movimiento visual en las personas videntes. Esto apoya la teoría de que las nuevas funciones deben encontrar un nicho neuronal, con áreas corticales existentes capaces de soportar la función. ^{[ 19 ]} Esta idea también podría aplicarse para explicar la intermodalidad en pacientes sordos y otros fenómenos intermodales como la sinestesia y el efecto McGurk .

Esta hipótesis permite comprender los procesos neuronales necesarios para adquirir nuevas funciones. Con este marco conceptual, futuras investigaciones podrán ampliar estas ideas para estudiar los efectos de la educación en estas áreas cerebrales específicas, o cómo la exposición limitada a la lectura y la aritmética a una edad temprana las afecta. El conocimiento de cómo funciona la plasticidad cerebral en relación con habilidades fundamentales como la lectura, la escritura y la aritmética tiene claras aplicaciones en las técnicas educativas.