10.01: Introducción

Ahora hemos llegado a la cima de la jerarquía de la neurociencia cognitiva: el nivel “ejecutivo”. En un negocio, un ejecutivo toma decisiones y planes importantes, basados en información de alto nivel proveniente de todas las diferentes divisiones de la compañía, y con una fuerte consideración de “el resultado final”. En una persona, el nivel ejecutivo de procesamiento, que se cree que ocurre principalmente dentro de la corteza prefrontal (PFC), recibe de manera similar información de alto nivel de las áreas de asociación cortical posterior, y también está directamente interconectado con áreas motivacionales y emocionales que transmiten “la línea de fondo” fuerzas que en última instancia guían el comportamiento. Aunque muchos de nosotros caminamos con la impresión (¿delirio?) que nuestras acciones se basan en el pensamiento y planeación racionales, en cambio es muy probable que las motivaciones biológicas básicas y las señales afectivas jueguen un papel crítico en la conformación de lo que hacemos. Al menos, esto es lo que sugiere la biología subyacente de los PFC y las áreas cerebrales asociadas. Y sin embargo, también es claro que el PFC es crítico para apoyar habilidades de razonamiento y planeación más abstractas, incluida la capacidad de ignorar la distracción y otras influencias en la búsqueda de un objetivo determinado. Intentaremos desentrañar el misterio de esta aparentemente contradictoria coexistencia de habilidades en el PFC en este capítulo.

La evidencia de la importancia de la PFC en el control cognitivo de nivel superior proviene del síndrome de dependencia ambiental asociado con daño a PFC. En un ejemplo clásico, un paciente con daños por PFC visitó la casa de un investigador y, al ver la cama, procedió a desnudarse (¡incluida la extracción de su tupé!) , se metió en la cama y se preparó para dormir. Las señales ambientales abrumaron cualquier contexto previo sobre lo que se debe hacer en el hogar de alguien que no conoces muy bien. Es decir, sin el PFC, el comportamiento es mucho más reflexivo e irreflexivo, impulsado por las posibilidades del entorno sensorial inmediato, en lugar de por algún plan u objetivos más abstractos y considerados. No necesitas daño real de PFC para experimentar este síndrome; ciertamente te has experimentado a ti mismo haciendo algo distraído por el entorno sensorial inmediato que de otra manera no habías planeado hacer (por ejemplo, cepillarte los dientes por segunda vez antes de irte a la cama porque por casualidad viste el cepillo de dientes). Todos experimentamos lapsos de atención —el estereotipo clásico de un profesor distraído no se explica por la falta de PFC en los profesores, sino que el PFC aparentemente está trabajando en otra cosa y así deja al resto del cerebro valerse por sí mismo de una manera ambientalmente dependiente.

Otra gran fuente de conocimiento de las contribuciones cognitivas del PFC está disponible para cada uno de nosotros todas las noches, en la forma de nuestros sueños. Resulta que el PFC es una de las áreas cerebrales más inactivadas durante las fases soñadoras del sueño. En consecuencia, nuestros sueños suelen carecer de continuidad, y parecen saltar de una escena desconectada a otra, con sólo el hilo más tangencial conectándolos. Por ejemplo, en un momento podrías estar reviviendo una tensa situación social desde la secundaria, y al siguiente estás tratando de averiguar cuándo se supone que el avión se va, con una sensación de temor general de que llegas irremediablemente tarde para ello.

Entonces, ¿qué hace que el PFC sea excepcionalmente capaz de servir como ejecutivo del cerebro? Parte de la respuesta es su conectividad, como se aludió anteriormente: se sienta encima de la jerarquía general de procesamiento de información del cerebro, y así recibe “informes de estado” altamente procesados sobre todo lo importante que sucede en su cerebro. En este sentido es similar al hipocampo como vimos en el Capítulo de la Memoria, y de hecho estas áreas parecen trabajar juntas. Sin embargo, el PFC también está especialmente bien ubicado para ejercer control sobre nuestras acciones: el PFC está justo frente a las áreas motoras frontales (consulte el Capítulo del Motor) y tiene una amplia conectividad para conducir un comportamiento motor abierto (y encubierto). Además, las áreas medial y ventral de PFC están directamente interconectadas con áreas de procesamiento afectivo en regiones subcorticales como la amígdala, permitiendo así que sea impulsada por, y recíprocamente, amplificar o anular, señales motivacionales y afectivas.

Además de estar en el lugar correcto, el PFC también tiene algunas propiedades biológicas especiales que le permiten aferrarse a la información ante la distracción, por ejemplo, de las señales sensoriales entrantes. Así, con un PFC intacto, podrás resistirte a la idea de acostarte en la cama de otra persona, y permanecer enfocado en el propósito de tu visita. Nos referimos a esta capacidad como mantenimiento activo robusto porque depende de la capacidad de mantener una población de neuronas activando activamente durante la duración necesaria para mantener una meta u otra información relevante. Esta capacidad también se conoce como memoria de trabajo, pero este último término ha sido utilizado de muchas maneras diferentes en la literatura, por lo que tenemos cuidado de definirlo como sinónimo de robusto mantenimiento activo de la información en el PFC, en este contexto. Veremos más adelante cómo funciona el mantenimiento activo junto con un sistema de compuerta que nos permite tener en cuenta más de un elemento a la vez, actualizar y manipular selectivamente alguna información mientras se continúa manteniendo otras, de una manera que hace que el sistema integrado soporte formas de trabajo más sofisticadas memoria.

Los registros de neuronas en los PFC de monos en la década de 1970 mostraron que exhiben este robusto disparo activo sobre retardos (también conocido como actividad del período de retraso). Una de las tareas más utilizadas es la tarea de respuesta retardada oculomotora, donde se resplandece un estímulo en una ubicación particular de una pantalla de video, pero el mono es entrenado para mantener sus ojos enfocados en una cruz de fijación central hasta que ese cruce se apaga, momento en el que luego debe mover sus ojos hacia el ubicación previamente flasheada para recibir una recompensa de jugo. Las neuronas en los campos oculares frontales (un área de PFC) muestran un robusto disparo de período de retraso que se ajusta a la ubicación del estímulo, y esta actividad termina justo después de que el mono mueve correctamente sus ojos después del retraso. También hay muchas otras demostraciones de este robusto mantenimiento activo en los PFC de los humanos.

Los modelos computacionales que exploramos en este capítulo muestran cómo estos dos factores de conectividad y mantenimiento activo robusto pueden combinarse para soportar una amplia gama de habilidades de función ejecutiva que se han atribuido al PFC. El objetivo es proporcionar un modelo unificador de la función ejecutiva, en comparación con una larga lista de habilidades cognitivas que se cree que sustenta.

Una de las habilidades de función ejecutiva más importantes es la capacidad de cambiar rápidamente el comportamiento o el pensamiento de una manera estratégica (a menudo conocida como flexibilidad cognitiva). Por ejemplo, al intentar resolver un rompecabezas u otro problema desafiante, a menudo necesitas probar muchas ideas diferentes antes de descubrir una buena solución. Sin el PFC, el comportamiento es repetitivo y estereotipado (golpeando la cabeza contra la pared una y otra vez), careciendo de esta flexibilidad distintiva. La capacidad de actualizar rápidamente lo que se mantiene activamente en el PFC es lo que permite que el sistema de PFC cambie rápidamente el comportamiento o el pensamiento, en lugar de requerir una modificación relativamente lenta del peso sináptico para cambiar la forma en que se comporta el sistema, actualizando el patrón de disparo neuronal activo en PFC puede cambiar el comportamiento inmediatamente. En resumen, el sistema PFC contribuye a la adaptación conductual al actualizar dinámicamente los estados de activación, que luego dan forma a representaciones corticales posteriores o acciones motoras a través de la polarización superior de los patrones de actividad asociados. Por el contrario, la adaptación conductual en la corteza posterior o ganglios basales depende mucho más de adaptar lentamente los cambios de peso. La evidencia de esta diferencia proviene de paradigmas de cambio de tareas, incluyendo la tarea de clasificación de tarjetas de Wisconsin (WCST) ampliamente estudiada en adultos y la tarea de clasificación de tarjetas de cambio dimensional (DCCS) en niños.

Los modelos computacionales de este capítulo muestran cómo los ganglios basales (BG) y las áreas de dopamina mesencéfalo (específicamente el área tegmental ventral, VTA) juegan un papel crítico en la actualización rápida y estratégica de los estados de actividad de PFC. Específicamente, veremos que el mantenimiento activo robusto requiere una señal de control adicional para cambiar entre el mantenimiento de la información existente frente a la actualización para codificar nueva información. El BG, probablemente junto con las señales dopaminérgicas del VTA, desempeñan este papel de activación dinámica del mantenimiento de la información en PFC. Esta función de activación dinámica es idéntica al papel que juega el BG en las acciones motoras de activación, como vimos en el Capítulo Motor. Además, el proceso de aprendizaje de BG también es idéntico al del capítulo Motor basado en principios de aprendizaje por refuerzo. Específicamente, la dopamina (del SnC, que está al lado del VTA) da forma al aprendizaje de BG y, por lo tanto, permite que el mecanismo de activación aborde el desafiante problema de decidir qué es importante mantener (y como tal es relevante para la tarea y, por lo tanto, predictivo de recompensa intrínseca), vs. lo que se puede ignorar ( porque no es predictivo de un buen desempeño de la tarea). Estos mecanismos encarnan la noción general de que el sistema cognitivo PFC-BG evolucionó al aprovechar los poderosos mecanismos existentes para activar el comportamiento motor y el aprendizaje. Desde esta perspectiva, la cognición no puede separarse de la motivación, ya que las señales dopaminérgicas de aprendizaje juegan un papel central e íntimo en la maquinaria básica de la función PFC/BG. Las funciones análogas de BG y dopamina en la selección y aprendizaje de la acción cognitiva y motora han sido fuertemente respaldadas por diversos datos a lo largo de los últimos 10 o 20 años, incluyendo evidencia de estudios en monos, y en humanos, efectos de enfermedades que impactan BG y/o dopamina, manipulaciones farmacológicas, imágenes funcionales y genética.