Cómo la estructura cerebral temprana se prepara para aprender eficientemente

La visión ocurre cuando los patrones de luz que ingresan al ojo se convierten en patrones confiables de actividad cerebral. Esta confiabilidad permite que el cerebro reconozca el mismo objeto cada vez que se ve. Nuestros cerebros, sin embargo, no nacen con esta habilidad; En cambio, lo desarrollamos a través de la experiencia visual. Los científicos colaboradores de MPFI y el Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt han descubierto recientemente los cambios clave del circuito que conducen a la maduración de patrones de actividad cerebrales confiables.

Sus hallazgos, publicado en Neurona Esta semana, es probable que sean generalizables más allá de la visión, proporcionando un marco para comprender la capacidad única del cerebro para adaptarse y aprender rápidamente durante las primeras etapas de desarrollo.

El cerebro es una estructura altamente organizada. Como otro regiones cerebralesLas áreas visuales tienen estructura para ellos, que los científicos llaman módulos. Esta organización modular consiste en parches de neuronas que se activan juntas en respuesta a información específica. Por ejemplo, algunos parches de neuronas se activan juntas en respuesta a ver rayas verticales, mientras que otros parches se activan cuando se ven rayas horizontales.

En el cerebro maduro, los módulos especializados para activarse en respuesta a una característica específica están altamente interconectados entre sí, lo que permite que estos módulos se activen de manera confiable en respuesta a esa característica. Esta fiabilidad es crucial para que el animal interprete su entorno y tome decisiones basadas en la vista. Sin embargo, se sabe poco sobre cómo se desarrolla la estructura que subyace a esta fiabilidad.

El autor principal del estudio, el Dr. David Fitzpatrick, describe la justificación de su trabajo: “Nuestro objetivo es comprender cómo desarrolla el cerebro la capacidad de interpretar información visual. Nuestro equipo descubrió previamente que cuando los ojos abren por primera vez, las respuestas cerebrales a la misma escena visual son inconsistentes.

“Diferentes grupos de neuronas responden cada vez, lo que limita la capacidad del cerebro para dar sentido a su entorno. Sorprendentemente, en un período corto, estas respuestas se vuelven altamente confiables, formando patrones consistentes que permiten al cerebro interpretar el mundo visual y guiar el comportamiento”.

Para determinar cómo surgen respuestas modulares confiables en el cerebro, los científicos necesitaban medir tanto la información visual que ingresa a los módulos como a la respuesta modular a esa información antes y después. experiencia visual. Lo que encontraron los sorprendieron: antes de la experiencia, la información no coincidía bien. Por ejemplo, las neuronas que envían información sobre líneas horizontales estuvieron activas simultáneamente con módulos especializados para responder a líneas verticales en lugar de horizontales.

Para comprender mejor sus datos, los científicos desarrollaron un modelo computacional descriptivo basado en lo que se sabe sobre la estructura y la función de los circuitos cerebrales involucrados en la visión. El modelo les ayudó a comprender sus datos y predecir qué factores serían más importantes para desarrollar respuestas cerebrales confiables a partir de las respuestas inmaduras que midieron.

El modelo identificó dos cambios principales que deberían ocurrir:

1. La información visual recibida por los módulos debe aumentar en la confiabilidad.
2. La información que ingresa a los módulos debe alinearse mejor con las conexiones entre esos módulos.

De acuerdo con el primer factor de su modelo, los científicos encontraron que antes de la experiencia visual, las neuronas a veces enviaban información a un módulo que representaba una característica y a veces otra característica. Después de la experiencia visual, las neuronas enviaron constantemente la misma información a un módulo. Pero este factor solo no fue suficiente para generar respuestas modulares confiables. Los científicos también encontraron evidencia predicha por su modelo que, antes de la experiencia, los módulos interconectados reciben información que representa diferentes características, en contraste con el circuito experimentado, donde los módulos altamente interconectados responden a características similares.

“Lo que es tan emocionante sobre nuestros hallazgos es que demuestran una nueva estrategia que permite al cerebro aprender mejor y más rápido. El cerebro ha evolucionado de modo que al principio del desarrollo, incluso antes de que se abran los ojos, está conectado para producir patrones de actividad que se organizan en módulos. Este propiedad presenta el cerebro para aprender eficientemente una vez que los ojos se abren al alinear información importante del mundo externo con la estructura modular”, describe la primera autoridad del Augusto.

En el futuro, el equipo planea determinar los cambios específicos en la conectividad neuronal que impulsan la alineación del desarrollo entre la información visual y la actividad modular. El equipo plantea la hipótesis de que estos cambios de cableado podrían ser comunes para muchas percepciones más allá de la visión y pueden ser un mecanismo clave detrás de la capacidad superior del cerebro para aprender.

El Dr. Lempel sugiere: “Cuanto más trabajamos inteligencia artificialcuanto más apreciamos cuán impresionante es el cerebro en aprender rápidamente nueva información sin hacer demasiadas suposiciones. La secuencia rápida de los cambios de desarrollo en la organización del circuito que hemos descubierto es un paso adelante para comprender los mecanismos que apoyan la capacidad del cerebro para un aprendizaje rápido y flexible “.