Cómo el cerebro calcula una huida rápida

Esta nota es del archivo de Knowable Magazine. Se publicó originalmente en diciembre de 2022.

La supervivencia del más fuerte suele significar la supervivencia del más rápido. Pero más rápido no significa necesariamente que se mueva más deprisa. Puede significar el que piensa más rápido. Ante la llegada de un poderoso depredador, por ejemplo, un cerebro rápido puede ser tan importante como unos pies rápidos.

Al fin y al cabo, es el cerebro el que dice a los pies lo que tienen que hacer: cuándo moverse, en qué dirección, a qué velocidad y durante cuánto tiempo. Y se necesitan varias acrobacias mentales adicionales para eludir a un atacante y evitar ser devorado. El cerebro de un posible devorado debe decidir si corre o se queda quieto, si huye o es más listo, si sigue adelante o busca un lugar donde esconderse. También ayuda si el cerebro recuerda dónde están los mejores escondites y recuerda encuentros anteriores con depredadores similares.

En definitiva, es necesario activar una compleja red de circuitos cerebrales y ejecutar las órdenes neuronales con eficacia para evitar la amenaza de un depredador. Los científicos han dedicado muchos esfuerzos mentales a averiguar cómo los cerebros de las presas ponen en práctica sus estrategias de huida. Estudios en animales tan diversos como ratones, cangrejos, moscas de la fruta y cucarachas están descubriendo la compleja actividad neuronal —tanto en las partes primitivas del cerebro como en regiones cognitivamente más avanzadas— que subyace al comportamiento físico que guía la huida del peligro y la búsqueda de seguridad. Las lecciones que se extraigan de estos estudios podrían no solo esclarecer la neurobiología de la huida, sino también explicar cómo la evolución ha moldeado otros comportamientos controlados por el cerebro.

Esta investigación “pone de relieve un aspecto de la neurociencia que está ganando adeptos en la actualidad”, afirma Gina G. Turrigiano, de la Universidad Brandeis, expresidenta de la Sociedad de Neurociencia. “Y es la idea de utilizar comportamientos etológicos —comportamientos que realmente importan para la biología del animal que se estudia— para desentrañar la función cerebral”.

Pensar rápido

El comportamiento de huida ofrece información útil sobre el funcionamiento interno del cerebro porque afecta a redes del sistema nervioso que se originaron en los primeros tiempos de la evolución. “Desde el momento en que hubo vida, hubo especies que se depredaban unas a otras y, por tanto, una fuerte presión evolutiva para desarrollar comportamientos destinados a evitar a los depredadores”, afirma el neurocientífico Tiago Branco, del University College de Londres.

No todos estos comportamientos implican huir, señala Branco. En lugar de correr, se puede saltar o nadar. O también quedarse congelado o hacerse el muerto. “Debido a la gran diversidad de especies, sus hábitats y sus depredadores, hay muchas formas distintas de escapar de ellos”, dijo Branco, en la reunión de la Sociedad de Neurociencia de 2022, en San Diego.

Por supuesto, a veces un animal puede preferir luchar a huir. Pero a menos que seas el rey de la selva (o quizá un correcaminos mucho más listo que cualquier astuto coyote depredador), luchar puede ser una tontería. Cuando un animal es la presa, la huida suele ser su mejor opción. Y tiene que elegir rápido.

“Si decide escapar, debe hacerlo de la forma más rápida y precisa posible”, señala Branco. “Y también debe ponerle fin lo antes posible, porque la huida es un asunto muy costoso. Cuesta energía y también oportunidades perdidas”.

La estrategia de huida comienza con la detección de la posible presencia de un depredador. La detección debe ser rápida e instintiva: una respuesta instantánea a una visión, un sonido o un olor. Después, tras detectar la amenaza, el cerebro del animal tiene que poner en marcha rápidamente complejos algoritmos que den a los músculos instrucciones sobre cómo moverse y hacia dónde. Se trata de un complicado proceso de toma de decisiones en el que intervienen múltiples factores, como la proximidad de la amenaza, las circunstancias ambientales y el estado de la presa.

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Lo primero que hay que tener en cuenta es la inmediatez de la amenaza. A veces hay tiempo para determinar la identidad del depredador antes de tomar medidas evasivas. Pero a menudo la respuesta debe ser más rápida. Una amenaza “inminente” —en la que una imagen borrosa en la retina aumenta rápidamente de tamaño— no deja tiempo que perder. La huida debe iniciarse antes de que la presa sepa quién es el depredador.

“No importa si es un búho, un vehículo o un objeto”, dice Branco. “Si viene rápido en tu dirección lo que realmente quieres es salir de allí y pensar en lo que puede ser después”.

Incluso los animales más simples han desarrollado acciones rápidas de escape cuando detectan una amenaza inmediata. Las moscas de la fruta, por ejemplo, ajustan la posición de sus patas para saltar y alejarse de un estímulo amenazador. Las cucarachas se alejan rápidamente en una dirección aproximadamente opuesta a la de un depredador que se aproxima, pero no siempre en la misma dirección, eligiendo entre tres o cuatro caminos posibles. Si las cucarachas eligieran siempre exactamente el mismo ángulo de huida, los depredadores podrían idear una contra-estrategia, señala Branco.

En los animales más complejos, los circuitos cerebrales han evolucionado para detectar las amenazas y comunicar su presencia a los sistemas motores que dirigen los músculos para que se pongan en movimiento. En el caso de un estímulo inminente, un núcleo de células nerviosas del mesencéfalo llamado tectum o techo óptico ha sido el principal detector de amenazas desde los primeros tiempos de la evolución de los vertebrados. (En los mamíferos, la estructura cerebral análoga se conoce como colículo superior). Las células de la retina que detectan un objeto que se expande rápidamente envían señales al tectum o al colículo superior, alertando al cerebro de una colisión inminente. A su vez, el tectum/colículo envía señales a las células nerviosas para que activen los músculos. En los mamíferos, esas células nerviosas residen en la sustancia gris periacueductal, una estructura del tronco encefálico.

En ratones, las conexiones neuronales entre el colículo superior y la sustancia gris periacueductal son esenciales para vincular la detección de amenazas con el comportamiento de huida, según ha demostrado una investigación. La presencia de una sombra grande, oscura y circular en una arena vacía induce al ratón a huir inmediatamente hacia un pequeño refugio en el borde de la arena. Pero si se cortan las sinapsis que conectan el colículo superior con la sustancia gris periacueductal, los ratones se quedan inmóviles en lugar de huir ante una amenaza inminente, explicó Branco en la reunión de neurociencia.

Amenazas más sutiles

Para amenazas no tan rápidas u obvias como un depredador inminente, el cerebro debe estar atento a las señales sensoriales más leves de un posible depredador cercano: el movimiento de un arbusto o el crujido de una rama, por ejemplo. Esa señal debe amplificarse para convertirse en el centro de atención del cerebro. Y, a diferencia de lo que ocurre con las amenazas inminentes, para escapar con éxito puede ser necesaria cierta información sobre el atacante. En estos casos, un circuito aún más complicado debe facilitar la reacción del cerebro. “Las acciones de huida inmediata pueden ser relativamente sencillas, pero la huida prolongada a menudo depende de procesos como predecir el movimiento de un depredador o realizar una navegación basada en la memoria”, escriben Branco y Peter Redgrave, coautor del estudio, en el Annual Review of Neuroscience de 2020.

Ratones que exploran una zona experimental recurren a la memoria para volver a su refugio cuando se ven amenazados. Cuando un experimentador retira solapadamente el refugio mientras el ratón no está mirando, una amenaza induce al ratón a correr rápidamente hacia el lugar donde solía estar el refugio. Al parecer, el ratón no encuentra el refugio buscándolo, sino recordando dónde se supone que está. Así que alguna parte del cerebro debe almacenar esa información y luego comunicarse con el colículo superior para orquestar órdenes sobre hacia dónde correr.

Estudios muy recientes sugieren que la región del cerebro que proporciona esa información al colículo superior es la corteza retrosplenial. Se trata de una región situada en el centro del cerebro que está conectada con otras muchas estructuras cerebrales, incluido el hipocampo (una estructura importante para la memoria).

“Las neuronas de la corteza retrosplenial codifican lugares importantes desde el punto de vista del comportamiento, como puntos de referencia, lugares de recompensa y diversas características espaciales del entorno”, escriben Dario Campagner, Branco y sus colaboradores en un artículo en Nature.

Cuando se bloquean las sinapsis que conectan la corteza retrosplenial con el colículo superior, descubrieron Campagner y sus colegas, el ratón intenta escapar de una amenaza en la dirección equivocada. En el mundo real, dice Branco, “éste sería probablemente el último error que comete el ratón”.

Por supuesto, muchas otras partes del cerebro contribuyen a la respuesta de amenaza de un animal. A veces, las señales neuronales pueden incluso inhibir la conducta de huida — un ratón hambriento, por ejemplo, puede recibir un mensaje del hipotálamo que le sugiera retrasar su reacción ante una amenaza para conseguir antes un poco más de comida—. Aún queda mucho por aprender sobre otros aspectos de los circuitos cerebrales que influyen en el comportamiento de huida.

“Tenemos algunos conocimientos decentes de la neurobiología que subyace a la ejecución de algunas... acciones de escape”, dice Branco. “Pero hay muchas incógnitas”.

Entre las incógnitas se encuentran algunos matices de cómo han evolucionado ciertas especies de presas para reaccionar más eficazmente a las señales de amenaza. La mayoría de los artrópodos, por ejemplo, responden a una amenaza inminente en función del tamaño de la mancha en su campo visual. Sin embargo, los cangrejos violinistas reaccionan en función de la rapidez con que cambia el tamaño de la imagen que se les avecina, según informaron investigadores australianos en Current Biology. El autor del estudio, Callum Donohue, y sus colegas observaron que atender a la velocidad más que al tamaño permite a los cangrejos responder cuando la imagen del depredador es aún muy pequeña, lo que les permite escapar más rápidamente a su madriguera. Este hallazgo sugiere que el estilo de vida y los factores ambientales pueden influir en la forma en que las distintas especies responden a las señales de amenaza, escriben los investigadores.

Branco afirma que, dado que el control de la huida es una función cerebral tan esencial, estudiarla en muchas especies lo convierte en un “poderoso modelo para el estudio de la neurociencia y el comportamiento”. Un conocimiento más profundo de la neurobiología de la huida podría revelar mecanismos mentales “generalizables en comportamientos de muchas especies”, afirma.

Al fin y al cabo, la huida es solo uno de los muchos comportamientos orientados a objetivos que los animales deben dominar para ganar el sorteo de la supervivencia del más fuerte. Averiguar cómo controlan los cerebros la huida podría ayudarnos a comprender la neurobiología de otras estrategias de supervivencia.

Como señalan Branco y Redgrave en su artículo en Annual Review, la huida es un comportamiento bien definido, por lo que es plausible obtener una comprensión completa de los algoritmos biológicos que lo controlan en una variedad de especies. Una comprensión detallada de sus complejidades, dicen, “proporcionaría entonces un punto de entrada para entender los mecanismos generales de... cómo los cerebros generan comportamientos adaptativos naturales”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner