Los ‘Legos cognitivos’ que ayudan al cerebro a construir comportamientos complejos

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De acuerdo a una investigación, los primates combinan y recombinan “bloques” de patrones reutilizables de actividad cerebral para aprender nuevos comportamientos y cambiar de tareas de manera rápida y eficiente, de maneras que los modelos de IA actuales no pueden lograr.

Investigadores de la Universidad de Princeton descubrieron que la corteza prefrontal de un primate reutiliza “Legos cognitivos” modulares para resolver tareas relacionadas, lo que otorga a los cerebros biológicos una flexibilidad de la que aún carece la IA. Este descubrimiento podría ayudar a mejorar los sistemas de IA para que conserven habilidades antiguas mientras aprenden nuevas. Crédito de la imagen: adaptado por Dan Vahaba (Universidad de Princeton), de “Brain Silhouette 2” (Littleolred, CC0 1.0, freesvg.org) y “Lego bricks” (Benjamin D. Esham, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons).

La inteligencia artificial puede escribir ensayos premiados y diagnosticar enfermedades con notable precisión, pero los cerebros biológicos todavía tienen la ventaja en al menos un dominio crucial: la flexibilidad.

Los humanos, por ejemplo, podemos adaptarnos rápidamente a nueva información y a desafíos desconocidos con relativa facilidad (aprender un nuevo software de computadora, seguir una receta o aprender un juego nuevo), mientras que los sistemas de IA tienen dificultades para aprender “sobre la marcha”.

En un nuevo estudio, neurocientíficos de Princeton descubrieron una razón de la ventaja del cerebro sobre la IA: reutiliza los mismos bloques cognitivos en diversas tareas. Al combinar y recombinar estos bloques, el cerebro puede generar rápidamente nuevos comportamientos.

“Los modelos de IA de vanguardia pueden alcanzar un rendimiento humano, o incluso superhumano, en tareas individuales. Sin embargo, les cuesta aprender y realizar muchas tareas diferentes”, afirmó el Dr. Tim Buschman, autor principal del estudio y director asociado del Instituto de Neurociencia de Princeton. “Descubrimos -dijo Buschman- que el cerebro es flexible porque puede reutilizar componentes cognitivos en muchas tareas diferentes. Al ensamblar estos ‘Legos cognitivos’, el cerebro puede construir nuevas tareas”.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature.

Reutilizando habilidades para nuevos desafíos
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Si alguien sabe cómo arreglar una bicicleta, hacerlo con una motocicleta podría resultarle más natural. Esta capacidad de aprender algo nuevo readaptando habilidades más sencillas de tareas relacionadas es lo que los científicos llaman composicionalidad.

“Si ya sabes hornear pan, puedes usar esta habilidad para hornear una torta sin tener que volver a aprender a hornear desde cero”, dijo Sina Tafazoli**, **Ph.D., investigador postdoctoral en el laboratorio Buschman de Princeton y autor principal del nuevo estudio. “Reutilizas habilidades existentes —usar el horno, medir ingredientes, amasar— y las combinas con otras nuevas, como batir la masa y preparar el glaseado, para crear algo completamente diferente”.

Sin embargo, la evidencia sobre cómo el cerebro logra tal flexibilidad cognitiva ha sido limitada y a veces contradictoria.

Un macaco Rhesus macho, en la selva de Gokarna, Nepal. Crédito de la imagen: Charles J. Sharp

Para aclarar cómo el cerebro logra su capacidad de recursos, Tafazoli entrenó a dos macacos rhesus machos para realizar tres tareas relacionadas mientras se monitoreaba su actividad cerebral.

En lugar de hornear pan o arreglar bicicletas, los monos realizaron tres tareas de categorización. De forma similar a intentar descifrar la caligrafía, a menudo ambigua, de una nota médica manuscrita, los monos tenían que determinar si una mancha colorida, similar a un globo, en una pantalla frente a ellos se parecía más a un conejo o a la letra “T” (categorizando la forma) o si era más roja o verde (categorizando el color).

La tarea era engañosamente difícil: las manchas variaban en ambigüedad, a veces parecían obviamente un conejo o un rojo saturado, mientras que otras veces las distinciones eran sutiles.

Para indicar la forma o el color que creían que tenía la mancha, un mono respondió con un zumbido, mirando en una de cuatro direcciones diferentes. En una tarea, mirar a la izquierda significaba que el animal veía un conejo, mientras que mirar a la derecha indicaba que se parecía más a una “T”.

Extracto de la tarea de discriminación de color y forma presentada a los msujetos del estudio (vídeo proporcionado por Sina Tafazoli/Universidad de Princeton)

Una característica clave del diseño fue que, si bien cada tarea era única, también compartía ciertos elementos con las otras tareas.

Una de las tareas de color y la tarea de forma requerían mirar en las mismas direcciones, mientras que ambas tareas de color requerían que el animal categorizara el color de la misma manera (como más rojo o más verde) pero requerían que miraran en diferentes direcciones para declarar su juicio de tono.

Este diseño experimental proporcionó a los investigadores una forma de probar si el cerebro reutilizaba patrones neuronales (sus componentes básicos cognitivos) en tareas con componentes compartidos.

Los bloques fomentan la flexibilidad cognitiva
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Después de analizar los patrones de actividad en todo el cerebro, Tafazoli y Buschman descubrieron que la corteza prefrontal (una región en la parte frontal del cerebro involucrada en la cognición superior) contenía varios patrones de actividad comunes y reutilizables en las neuronas que trabajan hacia un objetivo común, como la discriminación de colores.

Buschman los describió como los “Legos cognitivos” del cerebro: bloques de construcción que pueden combinarse de forma flexible para crear nuevos comportamientos.

“Pienso en un bloque cognitivo como una función en un programa informático”, dijo Buschman. “Un conjunto de neuronas puede discriminar colores, y su salida puede asignarse a otra función que impulsa una acción. Esa organización permite al cerebro realizar una tarea ejecutando secuencialmente cada componente de esa tarea”.

Para realizar una de las tareas de color, el animal unía un bloque que calculaba el color de la imagen con otro que movía los ojos en diferentes direcciones. Al cambiar de tarea, como al pasar de colores a formas, el cerebro simplemente unía los bloques correspondientes para calcular la forma y realizar los mismos movimientos oculares.

Este intercambio de bloques se observó en gran medida en la corteza prefrontal y no en otras regiones del cerebro, lo que sugiere que este tipo de composicionalidad es una propiedad especial de esa área.

Tafazoli y Buschman también descubrieron que la corteza prefrontal calma los bloques cognitivos cuando no están en uso, probablemente para ayudar al cerebro a concentrarse mejor en la tarea relevante en cuestión.

“El cerebro tiene una capacidad limitada de control cognitivo”, dijo Tafazoli. “Es necesario reducir algunas de las capacidades para poder concentrarse en las que son importantes en ese momento. Centrarse en la categorización de formas, por ejemplo, disminuye momentáneamente la capacidad de codificar colores, ya que el objetivo es la discriminación de formas, no de colores”.

Una forma más eficiente de aprender: para la IA y para lo clínico
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Estos Legos cognitivos podrían ayudar a explicar por qué los humanos aprendemos nuevas tareas con tanta rapidez. Al aprovechar los componentes mentales existentes, el cerebro minimiza el aprendizaje redundante, un truco que los sistemas de IA aún no dominan.

“Un problema importante del aprendizaje automático es la interferencia catastrófica”, afirmó Tafazoli. “Cuando una máquina o una red neuronal aprende algo nuevo, olvida y sobrescribe los recuerdos previos. Si una red neuronal artificial sabe hornear una torta, pero luego aprende a hornear galletas, olvidará cómo hornear una torta.

En el futuro, la incorporación de la composicionalidad a la IA podría ayudar a crear sistemas que aprendan continuamente nuevas habilidades sin olvidar las antiguas.

Esta misma perspectiva -creen los investigadores- también podría contribuir a mejorar la medicina para personas con trastornos neurológicos y psiquiátricos. Afecciones como la esquizofrenia, el trastorno obsesivo-compulsivo y ciertas lesiones cerebrales suelen afectar la capacidad de una persona para aplicar habilidades conocidas a nuevos contextos, posiblemente debido a alteraciones en la forma en que el cerebro recombina sus componentes cognitivos.

“Imaginen poder ayudar a las personas a recuperar la capacidad de cambiar de estrategia, aprender nuevas rutinas o adaptarse al cambio”, dijo Tafazoli. “A largo plazo, comprender cómo el cerebro reutiliza y recombina el conocimiento podría ayudarnos a diseñar terapias que restablezcan ese proceso”.

Versión en inglés
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Cita
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El estudio Building compositional tasks with shared neural subspaces fue publicado en Nature. Autores: Sina Tafazoli, Flora M. Bouchacourt, Adel Ardalan, Nikola T. Markov, Motoaki Uchimura, Marcelo G. Mattar, Nathaniel D. Daw & Timothy J. Buschman