La predicción es uno de los principales mecanismos neurocognitivos de nuestro cerebro. Cada milisegundo, el órgano más complejo del ser humano trata constantemente de anticipar de manera activa lo que va a ocurrir a continuación según el conocimiento que tiene de su entorno.
Nuestro cerebro vive en un pasado cercano en el sentido de que se encuentra obligado a procesar e interpretar la realidad que percibe a través de los sentidos, lo cual le consume tiempo y, por lo tanto, le impide vivir totalmente en el presente. Sin embargo, a pesar de esta característica, se las ingenia muy bien para cumplir con su cometido de asegurar la supervivencia. Por ello,
se ve obligado a predecir el futuro para así poder sincronizarse con lo que sucede en el presente.
Para realizar esta predicción, el cerebro utilizará el conocimiento que posee de experiencias pasadas y, de este modo, predecirá inteligentemente lo que pasará en el futuro inmediato.
Descubrimiento del sistema cerebral que anticipa el futuro
Según una investigación realizada en el Instituto Max Planck (Alemania), cuyo estudio fue publicado en
Nature Communications de diciembre 2019, el cerebro dispone de un sofisticado sistema para anticipar el futuro: lo consigue de forma rápida y con un consumo mínimo de energía. Necesita prepararnos para reaccionar ante cualquier eventualidad.
De forma no consciente, el cerebro realiza matemáticas complejas para procesar la información que procede del entorno a través de los sentidos. Pero cuando se enfrenta a la eventualidad de prepararnos para el futuro, apura sus cálculos: no solo necesita saber qué va a ocurrir, sino también, y no menos importante, cuándo.
La nueva investigación ha descubierto cómo se las ingenia el cerebro para anticipar el futuro, ya sea en circunstancias normales o excepcionales: recurre a un sistema de pensamiento rápido y a la lógica difusa para que reaccionemos adecuadamente.
Pensamiento rápido y lógica borrosa o difusa
El sistema de pensamiento rápido es la forma más corriente que usa el cerebro para procesar información. Es instantáneo y consume muy poca energía. Es el sistema intuitivo y emocional.
Descrito por primera vez en 2011 por el Premio Nobel de Economía Daniel Kahneman, este sistema nos permite, por ejemplo, saber que una cosa está más cerca que otra, caminar sin fijarnos, detectar alegría en la expresión de una persona, o leer, sin pretenderlo, un mensaje publicitario sencillo.
El cerebro recurre también a la lógica borrosa o difusa, una propiedad que es muy difícil de replicar informáticamente, pero que permite procesar información a partir de datos imprecisos: por ejemplo, cómo va a ocurrir algo y cuándo.
La lógica borrosa regula también la mayor parte de nuestras vidas: frecuentemente recibimos instrucciones como “gira un poco más a la derecha” y “no vayas tan rápido”. Gracias a la lógica borrosa, nadie nos dirá: “muévete 28 cm en rumbo verdadero de 136º” o “reduce en 3,8 metros por segundo tu velocidad”. Aunque esos enunciados son genéricos, somos capaces de reaccionar con precisión y ajustar la marcha del vehículo en el sentido pretendido. Operamos mucho más por matices, por transición, y eso es lo que proporciona la lógica borrosa.
Densidad de probabilidad
Los investigadores han descubierto además que el cerebro se vale de un modelo de pensamiento rápido llamado función de densidad de probabilidad (FDP o PDF en inglés) para anticipar el futuro.
Este modelo permite al cerebro precisar con exactitud lo que va a pasar y cuándo. Asume que va a ocurrir independientemente del momento y realiza una estimación de cuándo va a tener lugar.
Distribuye la probabilidad de ocurrencia a través del tiempo en que puede producirse, para obtener una mayor seguridad en la precisión y disipar así la incertidumbre: ha determinado que el tiempo de reacción a un evento estocástico (no determinista) es proporcional al recíproco de su probabilidad.
Así nos prepara para cualquier eventualidad presente o futura, ya sea que la información sensorial proceda de la visión, de la audición o del sistema somato-sensorial, que procesa estímulos relacionados con el tacto, la temperatura, la propiocepción (posición del cuerpo) y la nocicepción (dolor).
Entresijos cerebrales
El éxito del cerebro en la anticipación del futuro no depende solo del modelo utilizado, sino de la selección previa que ha debido realizar para cumplir su cometido.
En primer lugar, eligió el modelo de pensamiento rápido frente al modelo de pensamiento lento. Este segundo modelo es lógico y deliberativo, funciona muy despacio y consume mucha energía. Asociado a la experiencia, lo usamos para actividades mentales difíciles como los cálculos matemáticos complejos. Cuando va a anticipar el futuro, el cerebro descarta este modelo y prefiere el sistema de pensamiento rápido porque lo que prima es acertar con rapidez algo que puede ocurrir.
En segundo lugar, el cerebro debió elegir también entre el modelo de pensamiento rápido llamado función de densidad de probabilidad y una alternativa también disponible: el modelo tasa de riesgo, más conocido por su expresión inglesa Hazard ratio.
Cálculos complejos
Este segundo modelo, empleado comúnmente para medir el riesgo financiero, sirve para calcular la probabilidad solo ante una situación inminente. Hasta ahora se creía que era el usado por el cerebro para anticipar el futuro. La nueva investigación ha comprobado sin embargo que el cerebro escoge la función de densidad de probabilidad porque le permite añadir a la información de qué va a ocurrir, el cuándo tendrá lugar.
Por último, a pesar de que el cerebro escoge un sistema de pensamiento rápido para anticipar el futuro, calcula algo muy complejo – el factor tiempo a través de la probabilidad –, una función que corresponde al sistema de pensamiento lento. Lo consigue a través de la lógica borrosa y confirma así que este sistema de pensamiento rápido es muy eficaz.
Es tan potente que sirve incluso para las tribus amazónicas que no conocen los números: su sistema de pensamiento rápido es capaz de procesar también una compleja información de probabilidad tal como lo hace nuestro cerebro, a pesar de que sus miembros no pueden saber siquiera la edad que tienen.
El cerebro usa dos relojes internos para anticipar el futuro
Una investigación de la Universidad de Berkeley en California, cuyos resultados se publican en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences de noviembre 2018, ha descubierto que el cerebro utiliza dos mecanismos neuronales diferentes para predecir el futuro inmediato. Ambos nos permiten navegar y disfrutar del mundo cotidiano.
Uno de los mecanismos neuronales es una especie de reloj interno que se basa en el ritmo. Está relacionado con los ganglios basales del cerebro, que se ocupan de los movimientos voluntarios realizados de forma inconsciente, para tareas rutinarias. El otro reloj interno se basa en la experiencia previa. Está asociado al cerebelo, una región del encéfalo cuya función principal es integrar las vías sensitivas y las vías motoras.
La función de los ganglios basales es refinar los movimientos voluntarios. Esto lo hacen al recibir los impulsos de la corteza cerebral para el próximo movimiento, que luego procesan y ajustan. Los ganglios transportan estas órdenes hacia el tálamo, el cual después transmite esta información de regreso a la corteza.
Los dos relojes son críticos para nuestra capacidad de navegar y disfrutar del mundo. Juntos, estos sistemas cerebrales nos permiten no solo existir en el presente, sino también anticipar activamente el futuro.
Se refieren a procesos cotidianos de la vida, por ejemplo, apretar el acelerador del auto una fracción de segundo antes de que el semáforo se ponga en verde, o empezar a mover los pies antes de que empiece a sonar la música que estamos esperando. El estudio ofrece una nueva perspectiva sobre cómo los humanos calculamos cuándo hacer un movimiento.
Esta sincronización no es un proceso unificado, sino que hay dos formas distintas en las que hacemos predicciones temporales y éstas dependen de diferentes partes del cerebro.
Los resultados de este trabajo confirman que el cerebro utiliza dos mecanismos diferentes para el tiempo de anticipación, desafiando las teorías de que un solo sistema cerebral maneja todas nuestras necesidades de tiempo.
Los resultados sugieren al menos dos formas diferentes en las que el cerebro ha evolucionado para anticipar el futuro. Un sistema basado en el ritmo es sensible a los eventos periódicos del mundo, como lo es inherente al habla y la música. Y un sistema de intervalos proporciona una capacidad de anticipación más general, sensible a las regularidades temporales, incluso en ausencia de una señal rítmica.
Metodología
Los investigadores estudiaron las fortalezas y los déficits de anticipación a través de personas con enfermedad de Parkinson – un tipo de trastorno del movimiento – y de personas con degeneración cerebelosa, una enfermedad en la cual las neuronas del cerebelo – la zona del cerebro que controla la coordinación muscular y el equilibrio – se deterioran y mueren.
A través de diversas pruebas, compararon cómo se comportaban los pacientes de ambas enfermedades en ejercicios de computadora utilizando señales de tiempo. Ambos grupos vieron en una pantalla de computadora secuencias de cuadrados rojos, blancos y verdes mientras pasaban a diferentes velocidades: debían pulsar una tecla en el momento en el que vieran pasar el cuadrado verde. Al igual que la luz ámbar de los semáforos, los cuadrados blancos les alertan que el cuadrado verde va a pasar.
Los investigadores observaron que mientras el ritmo de paso de los diferentes cuadrados era constante, los pacientes con degeneración cerebelosa respondían bien a estas señales rítmicas. Sin embargo, cuando los cuadrados de colores siguieron un patrón más complejo, con diferentes intervalos entre los cuadrados rojo y verde, esta secuencia era más fácil de seguir por los pacientes de Parkinson.
Se demostró que
los pacientes con degeneración del cerebelo tienen problemas para usar señales temporales no rítmicas, mientras que
los pacientes con degeneración de los ganglios basales asociada con la enfermedad de Parkinson tienen problemas para usar las señales rítmicas.
El estudio permitió a los investigadores establecer una conexión entre la sincronización rítmica y los ganglios basales, así como entre la sincronización a intervalos, un temporizador interno basado en nuestra memoria de experiencias anteriores, y el cerebelo. Ambas son regiones cerebrales primarias asociadas con el movimiento y la cognición.
Además, sus resultados sugieren que si uno de estos relojes neuronales falla, el otro podría intervenir teóricamente. El estudio identifica no solo los contextos anticipatorios en los que están afectados estos pacientes neurológicos, sino también los contextos en los que no tienen dificultades, lo que sugiere que se podría modificar sus entornos para facilitarles la interacción con el mundo.
Nuevos tratamientos. A partir de estos resultados, se abren nuevas vías para tratamientos no farmacéuticos de personas con déficits de temporalización neurológica: juegos de computadora, aplicaciones móviles, estimulación cerebral profunda y modificaciones del sueño ambiental, podrían ayudarles a superar estas deficiencias.
El cerebro anticipa lo que va a suceder y reacciona cuando los sentidos contradicen su predicción – Teoría de la codificación predictiva
Una investigación del Instituto de Investigación Biomédica de Salamanca (IBSAL) y del Instituto de Neurociencias de Castilla y León (INCYL), cuyo trabajo fue publicado en la revista científica Plos Biology de diciembre 2020, ha demostrado de forma experimental que el cerebro predice continuamente lo que va a suceder a nuestro alrededor y que existe un mecanismo neuronal que nos alerta cuando la información que aportan los sentidos no coincide con la previsión.
Los investigadores trabajan desde hace años en la teoría de la codificación predictiva del cerebro, que analiza este proceso. La corteza prefrontal prevé lo que va a pasar en el futuro y toma decisiones, pero esas predicciones se comparan internamente en el cerebro con los impulsos sensoriales que recibimos, ya sean visuales, olfativos, somato-sensoriales o auditivos. En esta comparación, cuando la predicción y el estímulo sensorial coinciden simplemente se anulan. Sin embargo, si difieren se produce lo que conocemos como error de predicción.
En definitiva, el cerebro no actúa de forma pasiva a la espera de estímulos, sino que anticipa constantemente lo que espera recibir a través de los sentidos, de manera que solo nos ponen en alerta o nos llaman la atención las cosas inesperadas. Según este modelo,
el cerebro hace predicciones “desde arriba” y los sentidos informan “desde abajo”. Las neuronas involucradas en este mecanismo son muy importantes porque dejan pasar el flujo de información hacia arriba. Así, todo lo que el cerebro predice y realmente sucede no es más que información superflua que el cerebro descarta. Sin embargo,
cuando se produce el error de predicción, el cerebro tiene que actuar.
Existen muchos ejemplos en la vida cotidiana que ayudan a entender este concepto. Por ejemplo, si salimos de casa sin paraguas porque pensamos que hay sol, pero cuando abrimos la puerta está lloviendo. Si en efecto hubiera sol, como tenía previsto nuestro cerebro, ni siquiera repararíamos en ello. Lo mismo sucede cuando se rompe el hilo de una conversación con un giro inesperado o si un ruido inesperado irrumpe entre otros ruidos cotidianos.
Hasta ahora, esta teoría de la codificación predictiva estaba basada en modelos matemáticos, pero la novedad del artículo es que los investigadores la han demostrado de forma experimental. No había una prueba de que las neuronas realmente actuaban de esta manera desde el punto de vista molecular, así que en este trabajo lo demuestran con experimentos electro-fisiológicos en modelo animal.
Registrar el comportamiento de estas neuronas en humanos sería mucho más complejo, pero los experimentos en ratas han permitido confirmar la reacción neuronal ante un error de predicción. En concreto, la investigación se ha centrado en el sistema auditivo, que es el más utilizado para estudiar esta cuestión, pero los resultados son extrapolables al resto de los sistemas sensoriales, que en teoría deben tener un mecanismo similar.
Aplicaciones terapéuticas
Los investigadores explican que avanzar en el conocimiento de estos procesos es muy importante, porque están relacionados con algunas patologías psiquiátricas y neurodegenerativas. Por una parte, en la esquizofrenia y el autismo el mecanismo de predicción y comparación está alterado. Lo más probable es que las neuronas implicadas en el error de predicción estén funcionando mal. Por lo tanto, hay una base celular y neurológica relacionada con cambios en la corteza prefrontal que explicaría por qué ocurre esto.
En enfermedades como el Alzheimer sucede algo parecido, aunque el motivo es distinto. En este caso, no se trata de alteraciones, sino de que las neuronas que mueren o están dañadas son como piezas del puzzle que dejan de funcionar correctamente. Por eso, los fallos en los mecanismos de predicción del cerebro derivan en problemas cognitivos.
A partir de estos resultados el grupo de investigación cree que
se podrían encontrar nuevas soluciones terapéuticas para algunas patologías. En particular, desean estudiar las sustancias neuro-moduladoras que pueden estar involucradas. En la misma línea, piensan que la acetilcolina, que es un neuro-modulador importante, desempeña un papel primordial en la transmisión sináptica en estas neuronas. Si es así, es posible que regulándolo se puedan conseguir tratamientos farmacológicos.
Esas futuras terapias podrían servir para cualquiera de las patologías relacionadas con la codificación predictiva. De hecho, el problema de las enfermedades neurodegenerativas es que aún no se conocen los mecanismos moleculares básicos, así que estos pasos son importantes. En las últimas décadas no ha salido al mercado ningún fármaco nuevo para enfermedades neurodegenerativas, pero si se confirma que ciertas sustancias pueden ayudar a paliar sus efectos, los investigadores estarían en camino de cronificarlas (hacer crónico un proceso negativo, especialmente una enfermedad).
El cerebro anticipa el futuro inmediato utilizando un mecanismo de predicción automática para secuencias temporales
Investigadores del Instituto Donders para la Investigación del Cerebro, la Cognición y el Comportamiento, de la Universidad Radboud, en los Países Bajos, cuyo trabajo fue publicado en Nature Communications de mayo 2017, realizaron un estudio con el objetivo de ratificar esta afirmación.
El equipo demostró que cuando pronosticamos un evento, lo visualizamos automáticamente y a una velocidad rápida, por lo menos dos veces más deprisa que la velocidad real con la que se desplaza el objeto. Un ejemplo sería el de cruzar una calle transitada. Cuando nos enfrentamos a esta situación tan frecuente nuestro cerebro acelerará ex profeso la velocidad con la que se nos aproximan los autos con el fin de ofrecernos una percepción sobreestimada del riesgo que estamos corriendo, apuremos el paso y lleguemos antes a la seguridad de la acera de enfrente.
Los autores consideraron que la visión humana es muy detallista porque es el principal sentido pro-supervivencia que poseemos y, por esta razón, tiene una mayor resolución que la que pueden ofrecernos los otros sentidos, como el oído o el olfato. No obstante,
la velocidad con la que circula la información visual desde la retina hasta la corteza visual
es en tiempos neuronales relativamente lenta, pues se necesitan al menos 200 milisegundos para que la transferencia se produzca. Y si bien 0.2 segundos representaría un lapso de tiempo muy breve, a nivel cerebral en cambio es mucho, en el sentido de que este retraso temporal podría significar la diferencia entre la vida y la muerte para un peatón atrevido.
Para conocer cómo el cerebro anticipa movimientos futuros, los investigadores les pidieron a 29 individuos que observaran en una pantalla 108 veces una secuencia de puntos que se balanceaban de izquierda a derecha o al revés en medio segundo. Después de las sesiones, los científicos descubrieron que los cerebros de los participantes pudieron anticipar con precisión los movimientos que realizaría cada punto.
Luego, las personas fueron invitadas a ver nuevas secuencias aleatorias. Algunas resultaron iguales a las anteriores, pero otras con el punto desplazándose a través de la pantalla, mostrando solamente el principio o el final de la secuencia.
En la medida en la que los participantes veían los puntos saltar en la pantalla, una parte correspondiente al córtex visual se iluminaba en cada etapa. No obstante, si solo apreciaban el inicio de la secuencia igualmente se activaba la misma área del cerebro, la cual completaba la trayectoria hipotética del punto, pero con la salvedad de que se anticipaba dos veces más rápido a la secuencia real.
De esta manera, se pudo constatar que nuestro sistema visual puede anticipar la trayectoria de un objeto al menos dos veces más deprisa que la verdadera trayectoria, algo que nos permite prever el recorrido de un objeto y actuar en consecuencia.
Para los investigadores los resultados muestran que la corteza visual puede completar una secuencia con información parcial de un objeto en movimiento y que esta hazaña la puede realizar incluso cuando la atención está dirigida hacia otra parte. Además, el hecho de que la predicción de eventos sea independiente del estado de atención sugiere un proceso automático. Los expertos consideran que en este proceso de anticipar el futuro inmediato está implicado el hipocampo, una estructura cerebral ligada a la memoria y también a esta función premonitoria.
El cerebro sabe anticipar el futuro a partir del análisis de la información previa
Investigadores de la Association for Psychological Science (APS) de Estados Unidos, cuyo estudio fue publicado en la revista Psychological Science de agosto 2021, han descubierto la acción de una “máquina de predicción” en el cerebro humano, encargada de procesar la información recibida del entorno para anticipar aquello que sucederá más adelante en determinadas situaciones.
Según los investigadores el cerebro es capaz de aprovechar las propiedades estadísticas del mundo para predecir lo que es probable que suceda a continuación, así como de analizar la información y simplificar conjuntos de datos complejos para que podamos gestionarlos con eficacia.
El mecanismo cerebral también es capaz de “limpiar” los datos confusos y las estructuras complejas, para que sea posible sobrellevar la realidad del mundo sin perdernos en sus laberintos.
Para comprender el proceso, el estudio desarrolla una analogía con la experiencia musical. Cuando una frase musical tiene una cualidad incierta o no resuelta, nuestro cerebro predice automáticamente cómo terminará la melodía: los investigadores sugieren que el cerebro humano considera lo que ha sucedido antes para anticipar lo que viene después, en una cualidad predictiva y anticipatoria que aplica a diferentes estímulos.
El cerebro está constantemente un paso por delante y hace coincidir las expectativas con lo que está a punto de suceder. El descubrimiento desafía las suposiciones anteriores en torno a que las frases musicales se sienten terminadas solo después de que ha comenzado la siguiente. En consecuencia, tanto en la apreciación musical como en otros aspectos nuestro cerebro es capaz de anticipar un paso futuro a partir del análisis de la información previa.
En ese sentido, el estudio comprueba que el cerebro utiliza determinados movimientos musicales como “pistas” para predecir cómo seguirá o concluirá una melodía que no tiene una estructura lógica o evidente y plantea un momento de incertidumbre.
Ese mismo mecanismo es utilizado por la “máquina de predicción” del cerebro en otras situaciones o contextos. Por ejemplo, un proceso similar se lleva a cabo a nivel lingüístico: si una frase musical es una parte de un todo más complejo y extenso, como una canción o una sinfonía, una oración también es un fragmento de una totalidad con cierta coherencia, como puede ser un texto narrativo o informativo. El cerebro también sería capaz de predecir ciertos aspectos de las oraciones que se van encadenando en un texto, ya sea en cuanto a su contenido, estilo o intención.
Alta entropía: el momento de incertidumbre
Los científicos identificaron un momento que denominaron como de “alta entropía”, un término que hace referencia al grado de la incertidumbre existente ante un conjunto de mensajes, del cual solamente se conoce una parte. En ese instante de duda, el mecanismo anticipatorio del cerebro se pone en acción, analizando datos previos y cruzándolos con la información que recibe del mundo, para predecir así lo que vendrá.
Para llegar a sus conclusiones, los científicos trabajaron con un grupo de voluntarios haciéndolos escuchar melodías corales de Bach al detalle: analizaron las obras, nota por nota, buscando que los participantes identificaran las distintas partes y puedan decir cuáles recordaban y cuáles les parecían más completas y complejas.
Los resultados indicaron que los segmentos musicales con elevada entropía o sensación de incertidumbre fueron catalogados como más completos y ricos: en ellos, el cerebro debía actuar para anticipar un próximo movimiento, que no parecía lógico o evidente. Según los investigadores, el descubrimiento de este mecanismo cerebral podría conducir al desarrollo de estrategias psicosociales que mejoren la comunicación entre las personas en múltiples contextos.
Saber lo que va a pasar, ya sea inmediatamente o algo más tarde, es un factor crítico para la supervivencia,
pero también algo cotidiano: necesitamos saber si va a llover mañana o estamos atentos al disparo que anuncia
la salida en una carrera deportiva. Debemos maravillarnos de cómo nuestro cerebro debe hacer una y mil piruetas para
poder hacer las cosas bien en el sentido temporal sin que nosotros nos percatemos del
hecho de cuándo y cómo las realiza.
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