El cerebro, como todo el organismo animal, está formado por células llamadas neuronas. La estructura y la comunicación de las neuronas fueron descritas por el español Santiago Ramón y Cajal, quien encontró una característica fundamental de la comunicación entre las células nerviosas: casi nunca se tocan, están separados por pequeñísimos espacios, cuyo significado y enorme importancia vendría a conocerse mucho tiempo después. A pesar de las diferencias en la forma de las neuronas, su estructura en los sitios en que se comunican unas con otras es muy similar. La parte de la neurona que se comunica con otra neurona tiene siempre una estructura típica, y la región de la neurona que recibe ese contacto también tiene una forma característica. A esta zona de integración de la neurona se le llama sinapsis, y su funcionamiento es esencial para explicar prácticamente todas las acciones del cerebro, desde la más sencilla como ordenar a los músculos que se contraigan y se relajen en forma coordinada para llevar a cabo un simple movimiento, hasta las más complicadas tareas intelectuales, pasando también por las funciones que originan, controlan y modulan las emociones.
A través de esta comunicación las neuronas forman redes complicadísimas, que por supuesto estamos lejos de conocer por completo. Sabemos que unos de estos circuitos están relacionados con el sueño, otros con el movimiento, y otros más con las emociones y la conducta. La identificación de estos circuitos puede lograrse con distintos métodos, pero uno relativamente simple consiste en estimular una neurona o un grupo de neuronas y luego tomar un registro en las neuronas que sospechamos se comunican con las primeras.
Estos experimentos demostraron la localización de las funciones motoras en la corteza del cerebro y la existencia de conexiones neuronales desde ésa hasta los músculos. Se observó en estos experimentos que el movimiento y la sensibilidad de algunas regiones del cuerpo requieren un mayor número de neuronas en la corteza.
El cerebro consta de un gran número (aproximadamente 1011) de elementos altamente interconectados (aproximadamente 104 conexiones por elemento), llamados neuronas. Estas neuronas tienen tres componentes principales, las dendritas, el cuerpo de la célula o soma, y el axón. Las dendritas, son el árbol receptor de la red, son como fibras nerviosas que cargan de señales eléctricas el cuerpo de la célula. El cuerpo de la célula, realiza la suma de esas señales de entrada. El axón, es una fibra larga que lleva la señal desde el cuerpo de la célula hacia otras neuronas. El punto de contacto entre un axón de una célula y una dendrita de otra célula es llamado sinapsis, la longitud de la sinapsis, es determinada por la complejidad del proceso químico que estabiliza la función de la red neuronal. Un esquema simplificado de la interconexión de dos neuronas biológicas se observa en la Fig. 1.3.
Algunas de las estructuras neuronales son determinadas en el nacimiento, otra parte, es desarrollada a través del aprendizaje, proceso en que nuevas conexiones neuronales son realizadas y otras se pierden por completo. El desarrollo neurológico se hace crítico durante los primeros años de vida, por ejemplo está demostrado que si a un cachorro de gato, se le impide usar uno de sus ojos durante un periodo corto de tiempo, el nunca desarrollara una visión normal en ese ojo.
Las estructuras neuronales continúan cambiando durante toda la vida, estos cambios consisten en el refuerzo o debilitamiento de las uniones sinápticas; por ejemplo, se cree que nuevas memorias son formadas por la modificación de esta intensidad entre sinapsis, así, el proceso de recordar el rostro de un nuevo amigo, consiste en alterar varias sinapsis.
Como consecuencia de los primeros estudios sobre la base neural de los sistemas mnémicos (relacionados con la memoria), se creía que el almacenamiento de la memoria asociativa, tanto implícita como explícita, requerían de un circuito neuronal muy complejo. Entre quienes, comenzaron a oponerse a este enfoque se hallaba Donald O. Hebb, profesor de la Universidad de Milner; Hebb sugirió que el aprendizaje asociativo podría ser producido por un mecanismo celular sencillo y propuso que las asociaciones podrían formarse por una actividad neuronal coincidente: "Cuando un axón de la célula A excita la célula B y participa en su activación, se produce algún proceso de desarrollo o cambio metabólico en una o en ambas células, de suerte que la eficacia de A, como célula excitadora de B, se intensifica". Según la regla Hebbiana de aprendizaje, el que coincida la actividad de las neuronas pre-sinápticas (suministran el impulso de entrada) con la de las post-sinápticas (reciben el impulso) es muy importante para que se refuerce la conexión entre ellas, este mecanismo, es llamado pre-post asociativo, del cual puede observarse un ejemplo en la Fig. 1.4.
Todas las neuronas conducen la información de forma similar, esta viaja a lo largo de axones en breves impulsos eléctricos, denominados potenciales de acción; los potenciales de acción que alcanzan una amplitud máxima de unos 100 mV y duran 1 ms, son resultado del desplazamiento a través de la membrana celular de iones de sodio dotados de carga positiva, que pasan desde el fluido extracelular hasta el citoplasma intracelular; la concentración extracelular de sodio supera enormemente la concentración intracelular.
La membrana en reposo mantiene un gradiente de potencial eléctrico de -70mv, el signo negativo se debe a que el citoplasma intracelular está cargado negativamente con respecto al exterior; los iones de sodio no atraviesan con facilidad la membrana en reposo, los estímulos físicos o químicos que reducen el gradiente de potencial, o que despolaricen la membrana, aumentan su permeabilidad al sodio y el flujo de este ion hacia el exterior acentúa la despolarización de la membrana, con lo que la permeabilidad al sodio se incrementa más aún.
Alcanzado un potencial crítico denominado "umbral", la realimentación positiva produce un efecto regenerativo que obliga al potencial de membrana a cambiar de signo. Es decir, el interior de la célula se torna positivo con respecto al exterior, al cabo de 1 ms, la permeabilidad del sodio decae y el potencial de membrana retorna a -70mv, su valor de reposo. Tras cada explosión de actividad iónica, el mecanismo de permeabilidad del sodio se mantiene refractario durante algunos milisegundos; la tasa de generación de potenciales de acción queda así limitada a unos 200 impulsos por segundo, o menos.
Aunque los axones puedan parecer hilos conductores aislados, no conducen los impulsos eléctricos de igual forma, como hilos eléctricos no serían muy valiosos, pues su resistencia a lo largo del eje es demasiado grande y a resistencia de la membrana demasiado baja; la carga positiva inyectada en el axón durante el potencial de acción queda disipada uno o dos milímetros más adelante, para que la señal recorra varios centímetros es preciso regenerar frecuentemente el potencial de acción a lo largo del camino la necesidad de reforzar repetidamente esta corriente eléctrica limita a unos 100 metros por segundo la velocidad máxima de viaje de los impulsos, tal velocidad es inferior a la millonésima de la velocidad de una señal eléctrica por un hilo de cobre.
Los potenciales de acción, son señales de baja frecuencia conducidas en forma muy lenta, estos no pueden saltar de una célula a otra, la comunicación entre neuronas viene siempre mediada por transmisores químicos que son liberados en las sinapsis. Un ejemplo de comunicación entre neuronas y del proceso químico de la liberación de neurotransmisores, se ilustra en la Fig. 1.5.
Cuando un potencial de acción llega al terminal de un axón son liberados transmisores alojados en diminutas vesículas, que después son vertidos en una hendidura de unos 20 nanómetros de anchura que separa la membrana pre-sináptica de la post-sináptica; durante el apogeo del potencial de acción, penetran iones de calcio en el terminal nervioso, su movimiento constituye la señal determinante de la exocitosis sincronizada, esto es la liberación coordinada de moléculas neurotransmisoras. En cuanto son liberados, los neurotransmisores se enlazan con receptores post-sinápticos, instando el cambio de la permeabilidad de la membrana.
Cuando el desplazamiento de carga hace que la membrana se aproxime al umbral de generación de potenciales de acción, se produce un efecto excitador y cuando la membrana resulta estabilizada en la vecindad el valor de reposo se produce un efecto inhibidor. Cada sinapsis produce sólo un pequeño efecto, para determinar la intensidad (frecuencia de los potenciales de acción) de la respuesta cada neurona ha de integrar continuamente hasta unas 1000 señales sinápticas, que se suman en el soma o cuerpo de la célula.
En algunas neuronas los impulsos se inician en la unión entre el axón y el soma, y luego se transmiten a lo largo del axón a otras células nerviosas. Cuando el axón está cerca de sus células destino, se divide en muchas ramificaciones que forman sinapsis con el soma o axones de otras células. Las sinapsis pueden ser excitatorias o inhibitorias según el neurotransmisor que se libere, cada neurona recibe de 10.000 a 100.000 sinapsis y su axón realiza una cantidad similar de sinapsis.
Las sinapsis se clasifican según su posición en la superficie de la neurona receptora en tres tipos: axo- somática, axo-dendrítica, axo-axónica. Los fenómenos que ocurren en la sinapsis son de naturaleza química, pero tienen efectos eléctricos laterales que se pueden medir.
En la Fig. 1.6 se visualiza el proceso químico de una sinapsis y los diferentes elementos que hacen parte del proceso tanto en la neurona pre-sináptica, como en la pos-sináptica.
Las RNA no alcanzan la complejidad del cerebro, sin embargo hay dos aspectos similares entre redes biológicas y artificiales, primero los bloques de construcción de ambas redes son sencillos elementos computacionales (aunque las RNA son mucho más simples que las biológicas) altamente interconectados; segundo, las conexiones entre neuronas determinan la función de la red.
