Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1981 — Sperry, Hubel y Wiesel: el cerebro era un sistema distribuido en paralelo
Lo que aprenderás con este artículo
Comprenderás cómo se descubrió que el cerebro no es una computadora integrada única, sino un sistema distribuido en paralelo. Los experimentos de cerebro dividido de Roger Sperry demostraron que los hemisferios izquierdo y derecho poseen esencialmente personalidades distintas, mientras que David Hubel y Torsten Wiesel revelaron que las neuronas de la corteza visual de los gatos detectan características de forma jerárquica. Exploramos cómo estos dos descubrimientos se convirtieron en la raíz directa de las redes neuronales convolucionales (CNN) y el aprendizaje profundo (deep learning), y cómo la comprensión del cerebro explotó en el mismo año en que nacían las computadoras personales.
Una historia contraria al sentido común — Dos personas viven dentro de un solo cerebro
A menudo creemos que "mi" conciencia integrada opera dentro de un único cerebro. Aunque conocemos los términos hemisferio izquierdo y derecho, generalmente pensamos que ambos cooperan para tomar una sola decisión. Este es el sentido común.
El experimento de cerebro dividido de Sperry invirtió frontalmente este sentido común. Al seccionar el cuerpo calloso —el haz de fibras nerviosas que conecta los hemisferios izquierdo y derecho—, se demostró que existen esencialmente dos conciencias independientes dentro de una misma persona. La mano derecha no sabe lo que hace la izquierda, no se puede verbalizar lo visto en el campo visual izquierdo e incluso ambos hemisferios pueden tomar decisiones diferentes.
Por otro lado, Hubel y Wiesel exploraron la esencia del cerebro desde otra perspectiva: ¿a qué responden las neuronas individuales de la corteza visual? El sentido común sugería que "reaccionarían a objetos o rostros específicos". Los resultados empíricos fueron distintos: responden con extrema selectividad a características muy simples —segmentos de línea cortos en ángulos específicos o movimientos en direcciones particulares—. Las neuronas de las capas superiores combinan estas características simples para detectar otras más complejas; a medida que se asciende en la jerarquía, el nivel de abstracción aumenta.
Al unir los descubrimientos de estos tres científicos, surge esta imagen: el cerebro no es una única CPU integrada, sino un sistema distribuido donde múltiples procesadores especializados operan en paralelo y procesan la información de forma jerárquica. En lenguaje de ciencias de la computación, se asemeja más a una red neuronal convolucional jerárquica ejecutándose sobre una CPU de doble núcleo. Los dos núcleos (izquierdo y derecho) se ejecutan en paralelo y, dentro de cada núcleo, la información sensorial (visual, auditiva, etc.) se abstrae mediante filtros jerárquicos.
Esta metáfora no es, por supuesto, completa. El cerebro no ejecuta instrucciones de forma secuencial como un núcleo de silicio, sino que se expresa mediante patrones de disparo probabilísticos. Sin embargo, la estructura de "procesamiento paralelo modular + abstracción jerárquica de características" fue validada por el triunfo del aprendizaje profundo cuarenta años después.
El panorama de la época — El amanecer de la computación personal y la Nueva Guerra Fría
1981 fue el año en que la tecnología de la información y la política internacional experimentaron una transición simultánea.
Un solo evento decisivo en la historia mundial: el lanzamiento del IBM PC 5150 el 12 de agosto. Procesador Intel 8088, 16 KB de RAM, sistema operativo DOS. Esta única caja trasladó la informática desde las salas de cómputo corporativas hasta los escritorios. La era de la computadora personal comenzó a partir de este día. Al año siguiente apareció Microsoft Word y al siguiente, el Apple Lisa. No es casualidad que el Premio Nobel por la comprensión del cerebro y la democratización de la computación personal ocurrieran exactamente en el mismo año — algo que veremos más adelante.
En la política internacional, el 6 de octubre, el presidente egipcio Sadat fue asesinado por un francotirador vinculado a la Hermandad Musulmana durante un desfile militar en El Cairo. El protagonista del Acuerdo de Camp David de 1978 fue abatido por extremistas de su propio país. El 13 de diciembre, el régimen polaco de Jaruzelski impuso la ley marcial contra el movimiento Solidaridad, iniciando la última lucha de los regímenes comunistas de Europa del Este. Y el 5 de junio, los CDC de EE. UU. reportaron casos de neumonía de causa desconocida en cinco hombres de Los Ángeles; este informe sería registrado más tarde como el punto de partida de la pandemia de VIH/SIDA.
En la historia de Corea, el 3 de marzo, la toma de posesión del presidente Chun Doo-hwan: el inicio de la Quinta República. El momento en que la agitación de mayo de 1980 se consolidó en un sistema político. La fase final de la operación de los campos de reeducación Samchung, el inicio de las transmisiones de televisión a color y la preparación para la obtención de los Juegos Olímpicos de 1988 (decidida en Seúl en septiembre). Un panorama dual donde la política permanecía reprimida mientras la sociedad de consumo adquiría color.
En este año convulso, el Comité Nobel reconoció la estructura paralela y distribuida del cerebro. En el año en que las computadoras personales aparecieron en el mundo, se trazó el esquema de cómo funciona el computador definitivo: el cerebro. Este premio proporcionó, por así decirlo, la mitad de la respuesta sobre qué debe imitar la inteligencia artificial para emular al cerebro.
Roger Sperry: integrador interdisciplinario del Caltech
Roger W. Sperry (1913–1994) fue un neurobiólogo estadounidense. Su trayectoria académica es particularmente inusual. Se graduó en literatura inglesa, realizó su maestría en psicología y su doctorado en zoología, obteniendo su PhD en zoología por la Universidad de Chicago en 1941. Su trayectoria es un prototipo del investigador interdisciplinario actual.
Tras obtener el doctorado, pasó por la Universidad de Harvard y la Universidad de Chicago (profesor entre 1946 y 1954), y en 1954 fue nombrado catedrático de psicobiología (Hixon Professor) en el Instituto de Tecnología de California (Caltech). Allí desarrolló su investigación principal durante 30 años; tras su jubilación en 1984, mantuvo el título de profesor emérito (Trustee Professor Emeritus) hasta su fallecimiento en abril de 1994 en Pasadena. El hecho de que su propio cargo fuera "psicobiología" es simbólico: indica que su investigación se realizó en la intersección entre la psicología y la biología, y no en la biología pura.
Las investigaciones iniciales de Sperry se centraron en la regeneración neuronal y la formación de circuitos. El experimento en el que se cortaba el nervio óptico de una salamandra y se volvía a conectar al revés, provocando que su campo visual también quedara invertido, fue una observación decisiva que demostró que los circuitos neuronales están estrictamente preconfigurados (hard-wired). Este principio de especificidad de los circuitos se consolidaría más tarde como la hipótesis de la quemoafinidad.
El cambio de enfoque comenzó con el encuentro con las cirugías de sección del cuerpo calloso en pacientes con epilepsia. Desde finales de la década de 1940, en neurocirugía se estaba intentando realizar la callosotomía —la sección del cuerpo calloso que conecta ambos hemisferios— para suprimir las crisis epilépticas resistentes a fármacos. Era una medida extrema para evitar la propagación de las crisis entre los hemisferios izquierdo y derecho.
Sorprendentemente, los pacientes operados eran casi normales en su vida cotidiana. Sus pruebas de inteligencia eran normales y su conversación también. Los médicos que los observaron por primera vez concluyeron que el cuerpo calloso era simplemente un cable que conectaba ambos lados y que, en realidad, no tenía una función real. Sperry no aceptó esta conclusión.
Experimentos de cerebro dividido — El momento en que los hemisferios toman decisiones diferentes
El experimento diseñado por Sperry junto al estudiante de posgrado Michael Gazzaniga fue extremadamente sofisticado.
La clave consistía en presentar estímulos solo en una mitad del campo visual. En el ser humano, la información del campo visual izquierdo se transmite de forma cruzada al hemisferio derecho, y la del campo visual derecho al hemisferio izquierdo. Cuando el cuerpo calloso está intacto, esta información se comparte inmediatamente entre ambos lados. Cuando el cuerpo calloso está seccionado, cada hemisferio solo conoce la información de su propio lado.
Se hace sentar al paciente frente a una pantalla y se le pide que fije la vista en el centro. Se muestra brevemente (durante 0,1 segundos) la imagen de una manzana en el campo visual izquierdo. La información viaja únicamente al hemisferio derecho. Dado que el hemisferio derecho carece de capacidad lingüística, si se le pregunta al paciente "¿qué ha visto?", este responde "no he visto nada". Sin embargo, si se le pide que manipule varios objetos con la mano izquierda (controlada por el hemisferio derecho), seleccionará exactamente la manzana. El hemisferio derecho la vio y pudo reaccionar con la mano, pero no pudo expresarlo verbalmente.
Hubo experimentos aún más dramáticos. Se mostraba simultáneamente un muñeco de nieve en el campo visual izquierdo y una pata de pollo en el derecho. El hemisferio izquierdo veía la pata de pollo y el derecho veía al muñeco de nieve. Si se le pedía al paciente que eligiera con cada mano uno de varios objetos relacionados con lo que acababa de ver, la mano derecha (hemisferio izquierdo) elegía un pollo, y la mano izquierda (hemisferio derecho) elegía una pala —la herramienta necesaria para deshacer el muñeco de nieve.
Aquí llega el momento decisivo. Cuando se le pregunta por qué eligió la pala, el hemisferio izquierdo del paciente (el hemisferio hablante) responde: "porque se necesita una pala para limpiar el gallinero". Como el hemisferio izquierdo no vio al muñeco de nieve, construye una explicación basada en la historia del pollo para justificar por qué la mano izquierda sostiene la pala. Sperry y Gazzaniga denominaron a esto el módulo intérprete. El modo de funcionamiento básico del hemisferio izquierdo es crear historias a posteriori para engañarse a sí mismo.
Este resultado abrió un panorama más amplio sobre la localización funcional del cerebro. Sperry demostró claramente que el hemisferio izquierdo se encarga del lenguaje, la escritura, la lógica y el razonamiento, mientras que el derecho se ocupa de la visión y el sentido artístico. Y a partir de sus investigaciones, como pionero, y los estudios posteriores de otros académicos, se completó la visión de que la corteza cerebral se divide en áreas sensoriales (procesamiento de información proveniente de los órganos sensoriales), áreas motoras (emisión de órdenes a los órganos efectores) y áreas de asociación (integración y juicio de sensaciones, pensamiento y memoria).
En el lenguaje de CS, esto es similar a la revisión posterior de registros (logs) de un sistema multiproceso. Múltiples procesos operan en paralelo para generar resultados, y un proceso de reporte crea posteriormente una historia sobre "por qué ocurrió esto". Lo que sentimos como "yo tomé esta decisión" no es la ejecución en sí, sino la narrativización del registro posterior. Sin embargo, esta analogía se rompe en el punto de que las computadoras no se engañan a sí mismas: el intérprete del hemisferio izquierdo del cerebro sí se engaña a sí mismo.
Además de esto, Sperry se dedicó intensamente a investigar los mecanismos precisos de la formación de circuitos, específicamente cómo los nervios, durante el desarrollo embrionario, forman sinapsis en momentos y lugares exactos hacia el centro del cerebro. La investigación inicial sobre la regeneración nerviosa derivó en esta dirección.
Hubel y Wiesel — 22 años desde Johns Hopkins hasta Harvard
David H. Hubel (1926～2013) fue un neurobiólogo estadounidense. Curiosamente, aunque nació en Canadá, sus padres tenían la nacionalidad estadounidense, por lo que poseía doble nacionalidad. Cuando recibió el Premio Nobel, fue tema de debate qué país se llevaría el honor.
En la universidad, Hubel disfrutaba de las matemáticas, la física y la química, y obtuvo resultados extraordinarios en esas áreas. Sin embargo, tampoco estudió biología en la escuela secundaria. A pesar de ello, fue admitido en la Facultad de Medicina de la Universidad McGill en 1957, algo que él mismo relató más tarde como algo que consideró asombroso durante toda su vida. También recordó haber pasado por dificultades en la facultad de medicina debido a su falta de conocimientos en biología. Tras obtener el doctorado en medicina en la Universidad McGill en 1951, se trasladó como profesor de la Universidad Johns Hopkins entre 1955 y 1958. En este periodo conoció a Wiesel, dando inicio a una larga colaboración de investigación.
Torsten N. Wiesel (1924~ ) es un neurobiólogo sueco. Obtuvo el doctorado en medicina en el Instituto Karolinska en 1954 y se trasladó a Estados Unidos en 1955, donde conoció a Hubel en la Universidad Johns Hopkins. Se cuenta que Wiesel tenía gran talento para diversos deportes y fue capitán del club de deportes en la escuela secundaria; existe la anécdota de que se jactaba de que esa fue la época en la que experimentó la mayor sensación de logro de su vida.
Las personalidades de ambos eran complementarias. Hubel era fuerte en la teoría y la improvisación, mientras que Wiesel era preciso y cauteloso en la experimentación. Se complementaban mutuamente cubriendo las debilidades del otro, y desde 1959 ambos se trasladaron conjuntamente a la Facultad de Medicina de la Universidad Harvard para dirigir un laboratorio. Hubel fue profesor en la Facultad de Medicina de Harvard entre 1959 y 1982, y profesor emérito desde 1983. Wiesel fue profesor en la Universidad Harvard entre 1959 y 1983, y profesor y rector de la Universidad Rockefeller entre 1983 y 1998, convirtiéndose posteriormente en rector emérito. Esta colaboración, que se extendió por más de 22 años, se registra como una de las parejas más productivas en la historia de las neurociencias.
El objetivo de ambos era uno solo: medir directamente cómo cada neurona individual procesa la información visual. Abriendo el cráneo de un gato anestesiado, insertaban microelectrodos en la corteza visual hasta alcanzar una sola neurona. Mientras escuchaban el disparo (señal eléctrica) de una sola célula a través de un altavoz, proyectaban varios estímulos en una pantalla. Si la célula respondía, ese estímulo era el de su interés.
El primer descubrimiento fue casi accidental. Un día de 1959, mientras mostraban varias imágenes de discos a un gato mediante un proyector de diapositivas para estimular las células de la corteza visual, la célula permanecía silenciosa. Sin embargo, en el momento de cambiar la diapositiva, al pasar el borde de la diapositiva del proyector —es decir, una línea que cruzaba la pantalla en un ángulo específico—, la célula respondió de manera explosiva. Fue un hallazgo casual: esta célula respondía a segmentos de línea en un ángulo específico.
La estructura jerárquica de la corteza visual: el prototipo de la CNN
Se continuaron los experimentos sistemáticos. Hubel y Wiesel clasificaron las neuronas de la corteza visual primaria (V1) en dos tipos.
La célula simple responde únicamente a un segmento de línea corto con un ángulo específico en una posición concreta del campo visual. Cada célula tiene un ángulo preferido: algunas responden a líneas verticales, otras a diagonales de 45 grados y otras a líneas horizontales. Para cubrir todo el campo visual, se disponen múltiples células especializadas en distintos ángulos para cada posición.
La célula compleja responde al paso de un segmento de línea de un ángulo específico a través del campo visual. La posición es algo flexible. Parece formarse mediante la combinación de las salidas de las células simples.
La célula hipercompleja es aún más compleja: responde a segmentos de línea de una longitud determinada, bordes con una dirección específica y movimientos en una dirección concreta. A medida que se asciende en la jerarquía, el nivel de abstracción de las características aumenta.
Esta jerarquía se resume gráficamente de la siguiente manera:
Píxeles → Segmento de línea con ángulo específico (simple) → Segmento con posición flexible (compleja) → Borde·longitud (hipercompleja) → Forma → Objeto → Rostro
Ambos investigadores investigaron exhaustivamente no solo la función de la zona V-2, sino también a qué tipo de información visual (forma del objeto, color, movimiento, perspectiva, etc.) responde específicamente cada región de la corteza visual. El proceso por el cual las numerosas excitaciones nerviosas originadas en la retina del ojo se interpretan como una única imagen en la corteza visual —el proceso de interpretación destacado especialmente por Hubel y Wiesel— se resume bajo la perspectiva de que el cerebro "decodifica" la información "como si se descifrara un código".
Esta es la estructura exacta de las redes neuronales convolucionales (CNN) actuales. En 1980, Kunihiko Fukushima, inspirado por los descubrimientos de Hubel y Wiesel, diseñó el Neocognitron; en 1998, Yann LeCun creó LeNet, y en 2012, Alex Krizhevsky obtuvo una victoria aplastante en la competición ImageNet con AlexNet. La idea de la detección jerárquica de características viajó directamente desde el cerebro hasta el deep learning.
En lenguaje de CS, la corteza visual es un banco de filtros convolucionales jerárquicos. Las capas inferiores detectan características locales (bordes), y a medida que se avanza hacia las capas superiores, el campo receptivo (receptive field) aumenta y las características se vuelven más abstractas. El principio por el cual funciona el reconocimiento facial en los smartphones actuales —la raíz de ese principio— es el experimento con gatos en un sótano de Harvard en 1959.
Esta analogía difiere en que las CNN computacionales obtienen sus filtros mediante aprendizaje (backpropagation), mientras que la corteza visual del cerebro obtiene sus filtros mediante el desarrollo y la experiencia temprana. Sin embargo, la estructura final —la expansión jerárquica del campo receptivo— coincide sorprendentemente.
Experimento decisivo — Periodo crítico y plasticidad cerebral
Hubel y Wiesel también realizaron experimentos sobre el período crítico del desarrollo. Si se tapa un ojo de un gatito durante las primeras semanas, la visión de ese ojo se verá dañada de por vida. El área correspondiente de la corteza visual en el cerebro es ocupada por el otro ojo. Una vez transcurrido el período crítico, el proceso es irreversible.
Este descubrimiento tuvo un impacto clínico inmediato. Los principios del tratamiento del estrabismo y la ambliopía infantil —detección temprana e intervención temprana— derivan de este estudio. Hasta entonces, se creía que los problemas visuales en los niños se resolverían al crecer; ahora se establece el principio de que se debe intervenir dentro del período crítico.
Desde la perspectiva de la CS, este descubrimiento es casi una demostración biológica del compromiso entre exploración y explotación (exploration-exploitation tradeoff) en el aprendizaje por refuerzo. En las primeras etapas del desarrollo, el cerebro forma circuitos en un modo de exploración flexible, y tras el período crítico, se consolida en un modo de explotación. Un filtro formado una vez no se reentrena fácilmente; esta es también la razón neurológica por la cual a los adultos les cuesta aprender un nuevo idioma.
Impacto académico: un hito en la neurobiología
La investigación de estos tres científicos constituye un hito decisivo en la neurobiología respecto a la función de cada región cerebral. Por muy sofisticados que sean los estudios sobre la conducción neuronal y las sinapsis, si no se esclarecen las funciones cognitivas del cerebro, los principios del pensamiento y la conducta permanecerán en el misterio. La investigación de Sperry, Hubel y Wiesel abrió la puerta a ese misterio.
Tras este premio, la investigación cerebral dejó de limitarse a la biología pura para expandirse a la psicología, la etología y la medicina. Este estudio sentó las bases para el diagnóstico y tratamiento de diversas patologías cerebrales, especialmente trastornos psiquiátricos. Fue el momento en que se estableció la perspectiva de ver al cerebro no como una caja negra conductista de estímulo y respuesta, sino como una estructura donde funciones especializadas por región cooperan en paralelo.
El momento en que los diversos países comenzaron a invertir masivos recursos humanos y financieros en la investigación neurobiológica también fue tras este premio. Hoy, la Iniciativa BRAIN de EE. UU. (2013~), el Human Brain Project de Europa (2013~), Brain/MINDS de Japón (2014~) y la Ley de Promoción de la Investigación Cerebral de Corea (1998, revisada en 2007) son todos parte de esta misma estirpe.
Legado que perdura hoy
El impacto de los descubrimientos de estos tres científicos que perdura hasta hoy es evidente.
La investigación del cerebro dividido de Sperry estableció los estándares actuales para la investigación de la lateralización cerebral, los protocolos de rehabilitación de accidentes cerebrovasculares y la evaluación neuropsicológica. Conceptos de localización como "el lenguaje reside en las áreas de Broca y Wernicke del hemisferio izquierdo" o "la percepción espacial en el lóbulo parietooccipital derecho" se convirtieron en guías clínicas. Gazzaniga fundaría posteriormente el campo de la neurociencia cognitiva.
La investigación de Hubel y Wiesel sobre la corteza visual es hoy la base teórica del aprendizaje profundo. El hecho de que las CNN superen el nivel humano en reconocimiento de imágenes, reconocimiento facial, conducción autónoma y diagnóstico por imágenes médicas se debe a que imitan la estructura de la corteza visual. El mérito de los tres ganadores del Premio Turing de 2018 (Hinton, LeCun y Bengio) tiene su origen, en la práctica, en aquel sótano de Harvard en 1959.
En neurología clínica, el concepto de período crítico se ha convertido en un principio para la oftalmología pediátrica, la terapia del lenguaje y la rehabilitación cognitiva. La investigación sobre la neuroplasticidad se expandió exponencialmente tras este descubrimiento, sentando las bases teóricas de la rehabilitación de accidentes cerebrovasculares, las interfaces neuronales y la terapia de estimulación cerebral actuales.
En el entorno clínico de Corea, sus repercusiones también son inmediatas. Desde finales de la década de 1980, el tratamiento temprano de la ambliopía se estandarizó en las clínicas de oftalmología pediátrica de la Universidad Nacional de Seúl y la Universidad Yonsei, mientras que en neurocirugía se desarrollaron investigaciones relacionadas con la callosotomía. Cada vez que los investigadores de inteligencia artificial de KAIST y POSTECH publican artículos sobre aprendizaje profundo, las raíces de su linaje se encuentran en estas tres personas.
Por qué es importante
Lo que estas tres personas legaron fue la consolidación de la idea de que "el cerebro no es una computadora integrada, sino un sistema paralelo distribuido".
Sperry demostró que los hemisferios izquierdo y derecho son unidades de procesamiento esencialmente independientes: procesamiento de doble núcleo. Hubel y Wiesel demostraron que la información visual se abstrae mediante filtros jerárquicos: extracción jerárquica de características. La combinación de estos dos principios es lo que permite el funcionamiento del aprendizaje profundo actual.
El hecho de que la estructura paralela y distribuida del cerebro recibiera el Premio Nobel el mismo año en que aparecieron las computadoras personales no fue una coincidencia histórica. Desde la perspectiva del procesamiento de información, en el momento en que el ser humano comenzó a comprenderse a sí mismo, intentó implantar esa misma estructura en las máquinas que creó. Han pasado 40 años desde 1981; hoy, estamos siendo comprendidos por computadoras que imitan al propio cerebro.
Tras este premio, el flujo de la comprensión cerebral continúa con:
- 1986, Panelli, Salzman y Newsome — Área MT de la corteza visual y percepción del movimiento: refinamiento del procesamiento visual superior.
- 2000, Kandel, Greenberg y Candell — Transmisión de señales en el sistema nervioso: mecanismos químicos sinápticos.
- 2014, O'Keefe y la pareja Moser — Células de red (grid cells) del hipocampo para la navegación espacial: el GPS del cerebro.
- 2024, Hinton y Hopfield (Premio Nobel de Física) — Fundamentos de la mecánica estadística en redes neuronales artificiales: la convergencia final del linaje de Sperry, Hubel y Wiesel.
Momentos decisivos en los que estos descubrimientos se trasladaron a las ciencias de la computación (CS):
- 1980, Neocognitron de Fukushima — Cita directamente los trabajos de Hubel y Wiesel.
- 1998, LeNet-5 de Yann LeCun — Implementación práctica de las CNN, reconocimiento de dígitos MNIST.
- 2012, AlexNet — Victoria aplastante en ImageNet, inicio de la era del aprendizaje profundo.
- 2017, Transformer — Mecanismo de atención que integra visión y lenguaje.
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