Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1932 — Sherrington y Adrian
Lo que aprenderá al leer este artículo
Comprenderá por qué nuestro cuerpo se mueve como una sola persona a pesar de que miles de reflejos ocurren simultáneamente, y cómo dos fisiólogos británicos demostraron cuál es la unidad mínima en la que una neurona individual genera señales.
¿Por qué el cuerpo se mueve como un todo?
Cuando se golpea la rodilla, la pierna se extiende. Si toca algo caliente, la mano se retira inmediatamente. Si algo entra en el ojo, el párpado se cierra. Estos reflejos se procesan automáticamente en la médula espinal sin necesidad de pasar por el cerebro.
Aquí surge una pregunta natural: Dado que nuestro cuerpo posee cientos o miles de estos reflejos automáticos, ¿por qué no cae en el caos cuando ocurren simultáneamente? Si el reflejo de la pierna se extiende al mismo tiempo que el de retirar la mano del calor, ¿por qué no nos caemos y, en cambio, mostramos un movimiento humano coordinado?
La respuesta a esta pregunta a principios del siglo XX la dieron Sherrington y Adrian. Sherrington mostró cómo se coordinan los reflejos entre sí, y Adrian midió empíricamente qué señales genera la neurona individual, la unidad mínima de dicho reflejo. El encuentro de estos dos descubrimientos sentó las bases de la gramática de la neurociencia actual.
Panorama de la época — Apogeo de la Gran Depresión y radicalización política
El mundo de 1932 fue el año en que la Gran Depresión alcanzó su punto más profundo. La tasa de desempleo en Estados Unidos registró un 25%. Uno de cada cuatro trabajadores no tenía empleo. En los centros de Nueva York y Chicago, surgieron ampliamente campamentos temporales de tablas y chapa de zinc construidos por los desempleados, conocidos como "Hoovervilles". Este apodo, derivado del nombre del presidente Hoover, era una burla hacia su incompetencia.
En las elecciones de noviembre, Franklin D. Roosevelt ganó abrumadoramente, lo que llevó a Estados Unidos a cambiar su rumbo hacia el New Deal al año siguiente. Este programa resultó, a la larga, en un aumento significativo de la financiación para la investigación científica en EE. UU. (incluyendo la formación del precursor del NIH, entre otros).
La situación en Alemania era aún más peligrosa. En las dos elecciones presidenciales de marzo y abril de ese año, Hindenburg derrotó a Hitler y fue reelegido, pero el apoyo a Hitler ya era muy alto. En las elecciones parlamentarias de julio, el Partido Nazi se convirtió en la primera fuerza del parlamento, y al año siguiente, Hitler ascendió a la cancillería. Este año representó los últimos meses de funcionamiento normal de la República de Weimar.
Oxford, donde se encontraba Sherrington, y Cambridge, donde estaba Adrian, eran islas relativamente estables frente a la agitación del continente europeo. La academia británica aún no había sentido con tanta fuerza el embate de la Gran Depresión y, en ese período, Cambridge era uno de los centros mundiales de la fisiología.
Al analizarlo desde la perspectiva de la historia coreana, 1932 fue el punto álgido de la lucha armada por la independencia contra Japón. En enero, Yi Bong-chang lanzó una bomba contra Hirohito en Tokio y, en abril, Yoon Bong-gil llevó a cabo el atentado con bomba en el Parque Hongkew de Shanghái. Mientras en Europa se otorgaba un Premio Nobel a investigaciones que esclarecían "cómo se integran los diversos reflejos del cuerpo", los patriotas coreanos ejecutaban su voluntad de resistencia coordinada desde sus respectivos puestos. Fue una época que demostró empíricamente, desde distintos ángulos, cómo "las acciones individuales adquieren un significado integrador".
Narrativa de personajes — El gran maestro de Oxford y el experimentador de Cambridge
Los dos galardonados pertenecían a generaciones distintas y empleaban metodologías diferentes.
Sherrington — El gran maestro de la teoría integradora
Charles Sherrington nació en Londres en 1857. Tenía 75 años al recibir este premio y era un veterano que ya había dedicado medio siglo a la investigación de los reflejos. Tras pasar por Cambridge y otras universidades, se estableció en el Departamento de Fisiología de Oxford, donde investigó durante más de 30 años.
Su metodología se basaba en la observación del comportamiento y el análisis integral. Al observar que animales con secciones a nivel medular aún mostraban reflejos, analizó minuciosamente la estructura lógica de los reflejos: qué estímulos provocan qué reflejos, qué predomina cuando dos reflejos se superponen y qué reflejo inhibe a otro.
Su obra decisiva fue The Integrative Action of the Nervous System (La acción integradora del sistema nervioso), publicada en 1906. Este libro es considerado uno de los textos fundacionales de la neurociencia del siglo XX. Fue la obra que sistematizó por primera vez cómo los reflejos individuales se coordinan para convertirse en el movimiento de un organismo.
Los términos creados por Sherrington son la raíz del vocabulario actual de la neurociencia: sinapsis (synapse), arco reflejo (reflex arc), propiocepción (proprioception) e inhibición recíproca (reciprocal inhibition). Sin estas palabras, las clases actuales de neurociencia serían imposibles.
Adrian — El límite de la sensibilidad de medición
Edgar Adrian nació en Londres en 1889. Era 32 años menor que Sherrington, perteneciendo a otra generación. Se formó en Cambridge y permaneció allí. Su metodología era completamente opuesta a la de Sherrington: la medición cuantitativa extrema de señales eléctricas microscópicas.
La herramienta con la que Adrian realizó sus observaciones decisivas fue el electrómetro electrostático de capillares y su versión evolucionada, el osciloscopio de rayos catódicos. Estos dispositivos permitían visualizar en tiempo real la actividad eléctrica extremadamente fina generada por neuronas individuales o fibras musculares.
A mediados de la década de 1920, logró registrar con claridad la actividad eléctrica de fibras nerviosas individuales. Este experimento reveló un hecho sorprendente: los potenciales de acción siguen el principio de "todo o nada". Si el estímulo es débil, no se produce ningún disparo; si el estímulo es fuerte, la amplitud del disparo no aumenta. Sin embargo, un estímulo intenso incrementa la frecuencia de disparo (número de disparos por segundo).
Las implicaciones de este descubrimiento fueron enormes. El sistema nervioso no transmite información mediante la amplitud de la señal, sino mediante su frecuencia. Fue en este experimento donde se confirmó el principio básico de disparo neuronal que conocemos hoy.
Logro central: Integración refleja vista desde un bus de eventos
El arco reflejo = circuito mínimo
El arco reflejo establecido por Sherrington es un circuito como este:
- La neurona sensorial recibe un estímulo (por ejemplo, el estiramiento del tendón rotuliano)
- La señal se transmite a la sinapsis de la médula espinal
- Se activa la neurona motora
- El músculo se contrae (la pierna se extiende)
Este circuito es muy rápido porque no pasa por el cerebro. Se completa en 50～200 milisegundos. El problema es que existen miles de estos circuitos funcionando en paralelo en el cuerpo.
La analogía con CS se conecta naturalmente aquí. Esto es similar a una combinación de bus de eventos y planificador de apropiación (preemption scheduler).
Piense en un navegador. Eventos de clic, eventos de desplazamiento, eventos de teclado, eventos de movimiento del ratón: se generan decenas o cientos de eventos por segundo. Si estos eventos se procesaran de forma simple y en paralelo, la pantalla se rompería inmediatamente. La razón por la que el navegador no falla es porque el bus de eventos gestiona las prioridades y las reglas de exclusión. Algunos eventos cancelan a otros, y si algunos eventos se superponen, ambos pueden ser ignorados.
Lo que Sherrington reveló fue exactamente esto. La capa sináptica de la médula espinal no era solo una vía de transmisión de señales, sino un regulador que incluía inhibición recíproca. Cuando se activa el reflejo flexor del brazo derecho, el reflejo extensor del lado opuesto se inhibe automáticamente. De lo contrario, ambos músculos tirarían en direcciones opuestas y no se produciría ningún movimiento.
El descubrimiento de Adrian aportó la medición empírica a esto. ¿Cómo funciona realmente este regulador? Una neurona transporta información a través del canal de la "frecuencia de disparo". Un estímulo fuerte provoca 100 disparos por segundo; un estímulo débil, 10 disparos por segundo. Este patrón de frecuencia actúa como una señal de prioridad en el bus de eventos.
Sin embargo, esta analogía se rompe aquí. El bus de eventos es una estructura de datos que diseñamos explícitamente. No obstante, las reglas de coordinación del sistema nervioso son producto de la evolución, y a menudo la pregunta de por qué ciertos reflejos están cableados para inhibir a otros permanece sin resolver. Además, las capas superiores del cerebro pueden anular conscientemente los reflejos medulares. Un ejemplo es la capacidad de suprimir voluntariamente el reflejo de retirar la mano inmediatamente al tocar algo caliente (por ejemplo, para no soltar una sartén mientras se cocina). Esta estructura de anulación multinivel es mucho más compleja que un bus de eventos puro.
Todo o nada: la inesperada presencia de señales digitales
Uno de los hallazgos más sorprendentes de Adrian fue el hecho de que las señales neuronales son esencialmente digitales. Esto contradecía la intuición de la época: la suposición de que la naturaleza sería analógica. Sin embargo, el potencial de acción neuronal era una señal binaria de sí/no, disparo/no disparo.
Este descubrimiento tendría implicaciones inesperadas 30 años después, en la era de la computación. Norbert Wiener, McCulloch, Pitts y otros utilizaron esta característica binaria de las neuronas para establecer los fundamentos teóricos de las redes neuronales artificiales. Las raíces del aprendizaje profundo actual se deben, en parte, a esta observación de Adrian.
Por qué es importante
Los premios Nobel de Sherrington y Adrian siguen siendo válidos hoy en tres niveles.
Nivel neurocientífico: Toda la neurociencia del siglo XX se construyó sobre el vocabulario y la metodología creados por ambos. Sin conceptos como sinapsis, arco reflejo, potencial de acción y frecuencia de disparo, la investigación cerebral actual sería imposible.
Nivel médico: El diagnóstico y tratamiento de enfermedades del sistema nervioso como la enfermedad de Parkinson, la esclerosis múltiple y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) se basan en el marco de Sherrington-Adrian. Cada enfermedad se comprende en función de en qué nivel del sistema de señales eléctricas y reflejas ocurre la falla.
Nivel de inteligencia artificial: El modelo neuronal del aprendizaje profundo es una expansión geométrica del concepto de frecuencia de disparo de Adrian. Las funciones de activación, como la sigmoide o ReLU, son la formalización matemática del principio "disparo/no disparo".
Nos queda una lección: "Para comprender el comportamiento integrado de un sistema complejo, se deben medir los principios de sus componentes individuales y sintetizar lógicamente las reglas de interacción sobre ellos". Sherrington partió de la síntesis para descender hacia los principios, mientras que Adrian partió de los principios para ascender hacia la síntesis. El punto donde convergieron ambas direcciones fue la puerta de entrada a la neurociencia.
Mientras lee esta frase, miles de millones de neuronas en su cerebro están disparando decenas o cientos de veces por segundo para procesarla. El principio de cada uno de esos disparos fue revelado hace 90 años mediante un osciloscopio en Cambridge.
Resumen de los principios de integración del sistema nervioso: Sherrington estableció la estructura lógica del arco reflejo y las reglas de inhibición recíproca, mientras que Adrian demostró empíricamente que las neuronas individuales transmiten información mediante la frecuencia de disparos bajo el principio de "todo o nada". La convergencia de ambos descubrimientos permitió comprender cómo el sistema nervioso coordina innumerables eventos individuales en una respuesta integrada.
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