Bases neurales de la implementación de instrucciones

Resumen

Los humanos destacamos por nuestra rápida adaptación a medios cambiantes. A su base, se encuentra la capacidad de implementar instrucciones en nuestros actos. Este medio de adquirir conductas supone una alternativa más rápida y eficaz que el aprendizaje por ensayo y error, del cual dependen otras especies animales ante la novedad. Por ello, es de enorme importancia para nuestra especie. En esta tesis, exploramos los mecanismos neurales a la base de esta compleja conducta. El comportamiento en base a instrucciones se sustenta en el control cognitivo, un conjunto de procesos de alto nivel encaminados a guiar nuestra conducta a objetivos que no son alcanzables mediante patrones de conducta automáticos (Norman & Shallice, 1986). Estos mecanismos han sido ampliamente estudiados en Neurociencia Cognitiva, en especial con Resonancia Magnética Funcional (RMf). La investigación ha convergido en el rol de dos redes, una fronto-parietal y otra cíngulo-opercualar, que implementan el control actuando a distintas escalas temporales (Dosenbach, Fair, Cohen, Schlaggar, & Petersen, 2008). Sin embargo, los paradigmas empleados para ello están basados en tareas repetitivas y simples, dejando sin explorar gran parte de nuestra conducta flexible. Investigaciones recientes asocian el seguimiento de instrucciones con el control proactivo (Cole, Braver, & Meiran, 2017; Cole, Patrick, & Braver, 2018), referido a ajustes anticipatorios que nos preparan para futuras demandas (Braver, 2012). Estos procesos transforman las instrucciones en representaciones de control (Cole, Laurent, & Stocco, 2013), conocidas como sets de tarea (Sakai, 2008), que contienen los parámetros relevantes para la ejecución (estímulos, respuestas, reglas). Los sets de tarea sesgan el procesamiento en regiones motoras y perceptivas, y en última instancia, guían nuestras acciones (Miller & Cohen, 2001). No obstante, se desconocen los mecanismos neurales que median esta preparación en contexto de novedad. En esta tesis, hacemos uso de RMf y electroencefalografía (EEG) para investigar los procesos neurales de control que permiten guiar nuestro comportamiento en base a instrucciones. A lo largo de tres estudios, intentamos abordar cuatro objetivos específicos, detallados a continuación. El primer estudio de RMf de la tesis (Palenciano, González-García, Arco, & Ruz, 2018) buscó conocer la participación transitoria y sostenida de las redes de control fronto-parietal y cíngulo-opercular durante el seguimiento de instrucciones. De esta forma, además de indagar en los procesos de control durante el comportamiento instruido, también buscamos extender el modelo dual de Dosenbach a contextos de novedad. Para ello, usamos un paradigma basado en la codificación e implementación de instrucciones verbales (González-García, Arco, Palenciano, Ramírez, & Ruz, 2017). Este fue adaptado a un diseño mixto, de bloques y eventos (Petersen & Dubis, 2012), que nos permitió la estimación simultánea de activaciones tónicas y fásicas (Visscher et al., 2003). A continuación, en un segundo estudio de RMf (Palenciano, González-García, Arco, Pessoa, & Ruz, 2019), exploramos la preparación proactiva de instrucciones, focalizándonos en cómo los nuevos sets de tarea son representados en patrones de activación multivoxel (Haxby, Connolly, & Guntupalli, 2014). Específicamente, buscamos estudiar si parámetros relevantes para la ejecución estructuran la forma en que los sets de tarea se codifican anticipatoriamente. Para ello, generamos instrucciones manipulando la necesidad de integración a través de dimensiones estimulares, la complejidad del set de respuesta y la categoría del target. El empleo de Análisis de Similitud Representacional (RSA; Kriegeskorte, Mur, & Bandettini, 2008) nos permitió estimar la estructura subyacente a la codificación de instrucciones en distintas localizaciones del cerebro (Kriegeskorte, Goebel, & Bandettini, 2006). Esta se comparó con modelos derivados de las tres variables manipuladas. De esta forma, evaluamos si la actividad anticipatoria en distintas regiones estaba organizada de acuerdo a uno o varios de los parámetros relevantes para la tarea. Basándonos en el estudio anterior, un tercer objetivo consisitió en estudiar las dinámicas temporales que subyacen a las distintas estructuras representacionales antes descritas, durante la preparación de nuevas tareas. De esta forma, buscamos extraer el curso temporal caracterizando el efecto de los parámetros de tarea manipulados en el segundo estudio. Para ello, llevamos a cabo un tercer experimento, registrando datos de EEG de alta densidad, y replicando el mismo paradigma experimental que en el estudio anterior. Además, adaptamos el RSA para poder llevarlo a cabo de forma resuelta en el tiempo. Por último, un cuarto objetivo perseguido en la tesis fue evaluar la interacción entre control proactivo y motivación, en contextos de novedad. Las expectativas de recompensa parecen incrementar la eficacia de mecanismos preparatorios (Chiew & Braver, 2016), habiéndose asociado este efecto a una mejora en la fidelidad de las representaciones de reglas relevantes (Etzel, Cole, Zacks, Kay, & Braver, 2016; Hall-McMaster, Muhle-Karbe, Myers, & Stokes, 2019). Sin embargo, este efecto se ha estudiado únicamente en tareas repetitivas y simples. En el segundo y tercer estudio, decidimos incluir incentivos económicos para evaluar si este efecto en la codificación se extrapolaba a contextos nuevos y variables. De forma importante, pudimos explorar el efecto de motivación a través de distintas regiones cerebrales, y con alta precisión temporal, gracias a la recogida de datos de RMf y EEG, respectivamente. Gracias a nuestra aproximación multidisciplinar, basada en distintas técnicas de registro y el empleo de métodos de análisis uni y multivariados, esta tesis ha aportado un conjunto de resultados que ayudan a comprender la generación de conducta nueva en base a instrucciones. Tres conclusiones principales emergieron de nuestros datos. En primer lugar, el seguimiento de instrucciones descansa sobre procesos proactivos que se desarrollan a distintas escalas temporales. La corteza prefrontal lateral se encarga de la generación del set de tarea novedoso dentro de un mismo ensayo. Adicionalmente, esta región presenta actividad sostenida a lo largo de bloques, potencialmente implicando la instauración de un modelo general de tarea que complementa a la preparación de reglas individuales. Por último, dentro del intervalo de preparación, se dan dinámicas rápidas en cuanto a los parámetros que estructuran la codificación de sets de tarea. En segundo lugar, la motivación afecta la codificación proactiva de instrucciones robustamente, haciendo más similares entre sí las representaciones de distintas tareas. Este efecto está relacionado con la posterior ejecución, enfatizando su relevancia y la necesidad de explorarlo en más detalle en el futuro. Por último, nuestros resultados apuntan a la importancia de una región específica, el surco frontal inferior (IFS) para el seguimiento de instrucciones nuevas. El IFS se vio involucrado con distintos perfiles temporales, y además, representó instrucciones novedosas de forma multidimensional, simultáneamente incorporando distintos parámetros en la codificación. Por ello, indagar en los principios que subyacen al funcionamiento de esta versátil área es crucial para profundizar en el conocimiento del seguimiento de instrucciones, pero también para modelos generales de control cognitivo.