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Experimento: Qué tan Rápido Reacciona tu Cerebro al Estímulo

¿Qué tan rápido crees que eres? ¿Conoces la diferencia entre un reflejo y una reacción? Esta clase se trata sobre la rapidez de tu sistema nervioso y de tu sistema muscular, inervado por el sistema nervioso.

Tiempo 1 - 1.5 Horas
Dificultad Intermedia

¿Qué vas a aprender?

En este experimento aprenderás la definición de reflejo y reacción, y cómo medirlos. No te preocupes, no te vamos a tirar pelotas de fútbol a la cara...¡aún!

Prácticos Requeridos

Equipo


Antecedentes

Tu velocidad de reacción juega un papel importante en tu vida diaria. Un tiempo de reacción veloz pueden dar grandes recompensas, por ejemplo, evitar que una pelota de fútbol entre al arco. Tiempos de reacción lentos usualmente traen consecuencias.

El tiempo de reacción es una medida de la rapidez con que un organismo responde a algún tipo de estímulo. Además, también tienes "reflejos". Los reflejos y reacciones, si bien parecen similares, son muy diferentes. Los reflejos son involuntarios, se usan para proteger el cuerpo, y son más rápidos que una reacción. Los reflejos son por lo general un ciclo de retroalimentación negativa y actuar para ayudar a devolver el cuerpo a su estabilidad normal de funcionamiento, la homeostasis. El ejemplo clásico de un reflejo es uno que de seguro has con el médico: el reflejo patelar (o rotuliano).

Este reflejo se denomina reflejo de estiramiento y se inicia golpeando el tendón debajo de la rótula. Fue descrito por primera vez en 1875, en forma independiente, por dos neurólogos alemanes, Wilhelm Heinrich Erb y Carl Friedrich Otto Westphal. En su paper original, Erb refiere al reflejo como "Patellarsehnenreflex", mientras que Westphal lo describe como "Unterschenkelphanomen". Gracias a Dios, ahora lo llamamos reflejo rotuliano.

Este reflejo también se conoce como un "arco reflejo". Es un circuito de realimentación negativa con tres componentes principales:

  • Un componente sensorial o neurona aferente. Estas neuronas reciben información y la traducen a una señal eléctrica que se envía al sistema nervioso central, al igual que las espigas que escuchas al hacer los experimentos de la pata de cucaracha.
  • Un centro de integración o interneurona. Estas neuronas actúan como centros de procesamiento sensorial, que determinan la magnitud de la respuesta al estímulo entrante. Se encuentran en el sistema nervioso central (la médula espinal).
  • La porción eferente o neurona motora toma la información de la interneurona y la envía a los efectores que activan una respuesta. Los efectores son generalmente fibras musculares como en el reflejo rotuliano, o una glándula como la glándula salival.

    El arco reflejo de la rodilla es un reflejo espinal, y el circuito está dibujado arriba. Esta imagen muestra cómo la neurona sensorial (aferente) envía la información a través del ganglio de la raíz dorsal alla médula espinal, donde la señal se divide en dos caminos. El primer camino es a la neurona motora (eferente) que conduce de nuevo a los cuádriceps. Cuando la neurona motora de este músculo recibe la información, dispara y hace que la pierna inferior salte como un resorte hacia adelante. La segunda señal de la neurona sensorial viaja a una interneurona que envía una señal a la neurona motora (eferente) que conduce a los músculos isquiotibiales. Esta señal le dice a tu tendón de la corva que se relaje , para que así que no haya una fuerza negativa actuando sobre el cuádriceps cuando se contraiga. Ambas señales trabajan juntas, y todo esto ocurre en la médula espinal, sin llegar al cerebro. El cerebro no es necesario para este proceso.

    Te podrías preguntar cómo el arco reflejo de la rodilla y un jugador de fútbol lidiando con una pelota que viaja en su dirección son diferentes. ¿No son ambos un reflejo? Si bien puede parecer que un jugador lidiando con la pelota que le llega es un reflejo rápido y simple, en realidad es una sinfonía de cientos de miles de neuronas, trabajando juntas para generar una decisión consciente. ¿Qué hace el jugador? ¿La atrapa, la esquiva o la golpea? Es esta elección la que define una reacción.

    Cuando un jugador de fútbol se da cuenta de que la pelota viene volando hacia él, hay información visual que tiene que ser procesada y las decisiones que tomar con respecto a un curso de acción correcto. Entonces, el cerebro necesita enviar muchas señales a los distintos músculos involucrados. Los pies comienzan a moverse, las manos pueden colocarse al frente de la cara y los ojos se pueden cerrar, junto con muchos otros procesos. Esto es trabajo de muchas neuronas, así como de numerosos sistemas y circuitos en el cerebro, y lo más interesante, se puede entrenar y mejorar su habilidad a través de la práctica. Así es como se consigue mejorar en los deportes a través del tiempo.

    Como todo en la ciencia, la historia del descubrimiento del tiempo de reacción es muy peculiar. En 1865, el fisiólogo holandés F. C. Donders comenzó a pensar sobre el tiempo de reacción humana y si era capaz de medirlo. Antes de sus estudios, los científicos pensaban que los procesos mentales humanos eran demasiado rápido para ser medidos. Esta hipótesis se demostró errada con la ayuda de Charles Wheatstone, un científico e inventor Inglés. En 1840, Wheatstone inventó un dispositivo-al igual que su invención anterior, el telégrafo- que registraba la velocidad de los proyectiles de artillería. Donders usó ese dispositivo para medir el tiempo que tomaba un paciente desde recibir un shock en el pie, hasta que ese mismo paciente apretara un botón. El botón debía ser presionado por la mano izquierda o derecha coincidiendo con el pie -izquierdo o derecho- que recibía el shock. Su estudio probó 2 condiciones: en la primera, el paciente sabía de antemano cual pie recibiría el shock, y en la otra condición, el paciente no lo sabía. Donders descubrió un retraso de 1/15 de segundo entre estas condiciones. Cabe destacar que este fue la primera evidencia de la mente humana siendo medida!

    Estos esfuerzos continúan hasta el día de hoy, con la mejora continua de tecnologías de imagenología "no invasivas" como la resonancia magnética funcional, la Tomografía, el Electroencefalograma, etc... quizás te hayas hecho alguno de estos exámenes alguna vez.

    La velocidad con que las neuronas mueven la información se denomina "velocidad de la transmisión del impulso nervioso"; esto lo estudiamos en el experimento 11, cuando medimos velocidad de conducción en los axones de las lombrices de tierra. Sin embargo, eso fue solo una de las limitantes en la velocidad de transmisión. También hay que lidiar con la sinapsis (que estudiamos en el experimento 8). Más aún, la rapidez de los tiempos de reacción puede variar dependiendo del estímulo al que estás reaccionando y qué tipo de tarea estás haciendo.

    En este experimento, junto con un amigo medirán sus tiempos de reacción usando una simple regla de 30 centímetros. Experimentarán no solo estímulos visuales, sino también estímulos auditivos y táctiles.

    Procedimiento

    Este experimento se divide en dos fases. La primera prueba usa sólo una regla, mientras que la segunda prueba requiere dos.

    Experimento 1: En esta fase tú y tu amigo pondrán a prueba sus tiempos de reacción visual, auditivo y táctil con una regla.

    1. Pídele a tu amigo que se siente a la mesa, con su mano dominante encima y al borde de la mesa.
    2. En primer lugar vamos a probar la respuesta visual. Toma la regla por el extremo marcado con 30 cm, para que el extremo "0 cm" esté justo en el dedo índice de tu amigo.
    3. Dile a tu amigo que cuando sueltes la regla, la agarre lo más rápido posible. No hagas algún ruido o gesto que insinúe que estás soltando la regla. Es crítico que tu amigo reaccione al estímulo visual de ver que la regla es soltada. Anota la marca en la regla donde la agarró.
    4. Repite el experimento tres veces más. Después, cambia de lugar con tu amigo y háganlo de nuevo.
    5. Ahora vas a registrar reacciones auditivas. Como antes, haz que tu amigo se siente a la mesa, y se ponga el antifaz.
    6. De nuevo experimentando con la mano dominante, dile a tu amigo que, al soltar la regla, vas a decir la palabra "Suelta". Una vez que la agarre, anota la marca en la regla donde lo hizo y repite 3 veces. Cambiar de lugar con tu amigo otra vez.
    7. Para la última prueba, pídele tu amigo que se siente a la mesa de nuevo, con el antifaz puesto. Esta vez, pondrás a prueba la respuesta táctil. Dile a tu amigo que vas a tocar el hombro de su brazo no dominante al soltar la regla.
    8. No des señal auditiva alguna, sólo un simple toque. Anota la medición y como antes, repite tres veces, luego cambien de lugar y repitan.
    Aquí está la tabla para el primer experimento:

    Experimento 2: En esta fase tu amigo y tú pondrán a prueba sus tiempos de reacción visual y auditiva usando dos reglas.

    1. Para la parte visual de este experimento haz que tu amigo se siente a la mesa, al igual que antes, pero con ambas manos al borde de la mesa.
    2. Ahora sujetarás dos reglas, en lugar de una.
    3. Dile a tu amigo que vas a soltar sólo una regla, y que debe elegir la correcta y agarrarla lo más rápido posible...Dile además que debe apretar sólo una mano, no ambas.
    4. Cuando estés listo para comenzar, deja caer una de las reglas, al azar. No importa cual, esta prueba la van a repetir tres veces, lo importante es nunca decirle cuál regla vas a dejar caer.
    5. Al igual que en el experimento anterior, intercambien lugares y háganlo de nuevo.
    6. Por último, pondrán a prueba, nuevamente, su reacción auditiva. Claro, esta vez usando ambas reglas.
    7. Pónganse en la misma posición que antes, con ambas reglas. Asegúrate que tu amigo tenga el antifaz bien puesto.
    8. Ahora, vas a decir "izquierda" o "derecha". Cuando lo digas, vas a soltar la regla de la mano correspondiente, izquierda o derecha. Tu amigo debe decidir qué regla de tomar en base a la señal auditiva que le diste: "izquierda" o "derecha". Como antes, tu amigo debe apretar sólo una mano.
    9. Registra la medición en la regla y repite 3 veces más; recuerda que la decisión de cuál regla soltar debe ser al azar. Intercambien posiciones y repitan el experimento.
    Aquí está la tabla para el segundo experimento:

    Matemáticas

    De la tabla de arriba vas a tomar todas las medidas en centímetros que han recogido y convertir la medición a centímetros por segundo. Esto te dirá el tiempo que tarda, en segundos, un objeto (la regla) para caer una cierta distancia. La siguiente fórmula se compone de tres variables.

  • Y = la distancia medida en centímetros
  • g0 = la aceleración por la constante de gravedad (980 cm/sec2 )
  • t = el tiempo en segundos

    Aquí hay un ejemplo de cómo se usa la ecuación:

    Convertir manualmente cada número registrado puede ser tedioso, por lo que te proporcionamos una tabla para convertir rápidamente tus medidas de centímetro a segundo. Sin embargo, hay varios valores que faltan en la tabla. Vas a tener llenar estos datos para completar la tabla. Utiliza la ecuación anterior para llenar el resto de la tabla. Si tienes la habilidad para hacerlo, puedes diseñar un programa para estos efectos.

    Después de usar la tabla y convertir tus medidas de centímetros a segundos, obtendrás el tiempo de reacción en segundos. Al ver tus datos, te podrías preguntar cómo comparar estos resultados con el tiempo promedio de reacción de un humano. ¡Bueno, aquí tienes! El tiempo de reacción promedio del humano es de 0,25 segundos frente a un estímulo visual, 0,17 para un estímulo auditivo, y 0,15 segundos frente a un estímulo táctil.

    Preguntas para Considerar

    1. ¿Por qué crees que los estímulos táctiles y auditivos tienen un tiempo de reacción promedio más rápido?
    2. Tus resultados, ¿coinciden con los promedios mencionados anteriormente?
    3. ¿Esperarías encontrar una diferencia en los tiempos de reacción promedio entre un hombre y una mujer? ¿Y entre una persona atlética y alguien más sedentario?
    4. ¿Crees que es correcto sacar un promedio entre dos personas, como lo hicimos ahora? ¿Cuál podría ser el problema?
    5. ¿Por qué no probamos el tiempo de reacción "táctil" cuando usamos dos reglas? ¿Podrías hacer un diseño experimental para poner a prueba los tiempos de reacción táctiles usando la "elección" de una de las dos reglas?
    6. Como debes saber, todos tenemos una mano dominante y una no dominante. Con sólo cuatro ensayos, es muy difícil ver la diferencia. Quizás debieras repetir el experimento unas 10-20 veces para ver si hay alguna diferencia entre la manos dominante y la no dominante.
    7. La velocidad promedio de conducción es de aproximadamente 20-80 m/s. Un neurotransmisor se demora aproximadamente 1 ms en cruzar la sinapsis. Calcula el límite inferior de tu reflejo rotuliano vs el reflejo rotuliano de una jirafa.