La neurociencia del dominio a través del aprendizaje de prueba y error

Las células de Purkinje del cerebelo coordinan los movimientos motores coordinados.

Dibujo de células de Purkinje (A) y células granulares (B) de paloma cerebelosa por Santiago Ramón y Cajal, 1899; Instituto Cajal, Madrid, España.

Fuente: Wikipedia / Public Domain

Un equipo de investigadores de la Universidad Johns Hopkins ha descubierto nuevos detalles sobre cómo las células cerebelosas de Purkinje dominan los movimientos complejos a través de un proceso de aprendizaje de prueba y error en el que cada error que se produce durante la práctica ayuda al cerebelo a mejorar la coordinación motora. Este documento, “Codificación del error y Aprender a corregir ese error por las células de Purkinje del cerebelo”, fue publicado en línea el 16 de abril en la revista Nature Neuroscience .

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El aspecto más significativo de este estudio es que el autor principal Reza Shadmehr, profesor de ingeniería biomédica y neurociencia en la Escuela de Medicina de la Universidad Johns Hopkins, y sus colegas han identificado cómo funcionan las células de Purkinje. Esta investigación agrega una nueva visión y evidencia empírica para respaldar los documentos históricos del siglo XX que especularon sobre lo que las misteriosas células de Purkinje estaban haciendo en realidad como “El cerebelo como una máquina neuronal” (John Eccles et al., 1967), “A Teoría de la corteza cerebelosa “(David Marr, 1969) y” Una teoría de la función cerebelosa “(James S. Albus, 1971).

Cerebelo (latín para “pequeño cerebro”) en rojo. “Cerebellar” significa “relacionado o localizado en el cerebelo”.

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Fuente: Base de datos de Ciencias de la vida / Wikipedia Commons

Un comunicado de prensa del 3 de mayo de 2018 sobre la innovadora investigación sobre células de Purkinje que se lleva a cabo en Johns Hopkins Medicine, “Descifrando la máquina de aprendizaje del cerebro”, describe el cerebelo como una “máquina de aprendizaje” dentro del cerebro de los mamíferos. Su estudio más reciente sobre monos muestra que las células de Purkinje hacen predicciones y aprenden a dominar tareas complejas corrigiendo constantemente pequeños errores. Con la práctica, los errores disminuyen y la precisión aumenta. Con el tiempo, esto resulta en lo que llamo ” superfluidez “.

Fuente: Wikipedia / Creative Commons

Como un ejemplo atlético del dominio cerebeloso basado en Purkinje, la declaración dice: “Al aprender a disparar una pelota de baloncesto, la gente suele fallar muchas veces antes de recibir un golpe en el aro. A medida que el brazo se mueve, el cerebelo hace predicciones sobre las consecuencias de la acción. Cuando la predicción no coincide con la realidad, es decir, la pelota pierde el aro, el cerebelo recibe información de los ojos y el brazo para aprender del error, factores de ajuste como apuntar, forzar y soltar para hacer una canasta. Este aprendizaje de prueba a prueba del error produce mejoras graduales en el rendimiento “El mismo proceso de aprendizaje de prueba y error cerebeloso ocurre en todos los deportes y ayuda a explicar por qué la práctica hace al maestro. Notablemente, tener un “ojo para la pelota” también está directamente relacionado con el cerebelo y nuestro reflejo vestibuloocular (VOR).

Purkinje Cells Aprendizaje maestro de prueba y error a través de picos “simples” y “complejos”

Según las últimas investigaciones de Johns Hopkins, las células de Purkinje se comunican a través de dos tipos de señales eléctricas llamadas “picos simples” y “picos complejos”. Las picos simples reflejan las predicciones que las células de Purkinje están haciendo sobre los movimientos óptimos. Los picos complejos reflejan la información enviada a un grupo de células de Purkinje para informarles si hubo un error en la predicción o si el tiempo y la velocidad de un movimiento fueron precisos. Para cada habilidad motriz única, las células especializadas de Purkinje reciben el mismo mensaje de error y parecen funcionar en conjunto al realizar correcciones motoras adecuadas basadas en un error específico.

“Puedes pensar en los picos simples como el ‘estudiante’ que hace una predicción y los picos complejos como el ‘maestro’ que proporciona comentarios”, dijo Shadmehr en un comunicado.

Según Shadmehr, “una de las ventajas de la arquitectura del cerebelo es que protege los recuerdos“. Una vez que la memoria muscular requerida para hacer algo que es principalmente cerebelosa (como andar en bicicleta) es martillada y forjada en sus células de Purkinje, la simple y los picos complejos asociados con la coordinación de esta habilidad motriz se cablean.

Touch-Typing se basa en el aprendizaje cerebeloso basado en Purkinje

Dominar la habilidad de “escribir a máquina” sin mirar el teclado es un ejemplo diario perfecto de aprendizaje basado en prueba y error basado en células de Purkinje. La próxima vez que esté en un teclado, coloque las puntas de los dedos índice izquierdo y derecho en las pequeñas crestas encontradas en las teclas “F” y “J”, respectivamente. Poner las manos en esta “posición inicial” guía su cerebelo para saber automáticamente dónde se encuentran todos los dedos en relación con las teclas específicas. Esto crea previsibilidad a través de la propiocepción cerebelar.

¿Puedes escribir ” el zorro rojo rápido salta sobre el perezoso perro marrón ” sin mirar las teclas? Si es así, ¿cuántas veces en un minuto puedes escribir estas 10 palabras? Esta oración tiene todas las letras del alfabeto y es un estándar de oro para probar la capacidad de alguien para escribir a máquina. Con la práctica, sus dedos aprenden implícitamente dónde se encuentran todas las teclas y puede dominar el tipeo de más de 40 palabras por minuto (WPM), que se considera una velocidad “promedio”.

Con base en las últimas investigaciones de Johns Hopkins sobre el aprendizaje de prueba y error, uno podría especular que cuanto más practique corrigiendo errores mientras tipea ” el zorro rojo rápido salta sobre el perro pardo perezoso ” que los cúmulos de células de Purkinje están siendo afinados dominar esta habilidad a través de picos simples y complejos.

Curiosamente, una vez que la capacidad implícita de su cerebelo para predecir dónde se encuentran las letras adecuadas sin mirar hacia abajo, la mayoría de los mecanógrafos táctiles finalmente pierden su conocimiento cerebral y memoria declarativa de poder decir dónde se encuentra cada letra en un teclado QWERTY. Anecdóticamente, puedo corroborar este fenómeno. Como alguien que ha estado escribiendo al tacto desde la escuela secundaria, para describir las dos teclas con crestas tipo braille, tuve que mirar hacia abajo en el teclado para verificar que “F” y “J” son donde coloco intuitivamente las puntas de mis dedos índices cada vez que empiezo a escribir.

Si alguien le pregunta dónde se encuentran las teclas de inicio (A, S, D y F para la mano izquierda y J, K, L y punto y coma para la mano derecha) en un teclado QWERTY, ¿sabría la respuesta? (Algunos trivialidades: el nombre de este diseño de teclado estandarizado proviene de la secuencia de seis letras en la parte superior, fila superior izquierda).

A continuación se muestra un video de 2 minutos de investigadores de la Universidad de Vanderbilt que ilustra cómo podemos aprender a escribir automáticamente sin ningún conocimiento explícito de dónde se encuentran las teclas de letra específicas:

El daño a la estructura o la conectividad funcional del cerebelo puede afectar profundamente la capacidad de alguien para coordinar y ejecutar movimientos motores de forma fluida. Las enfermedades que afectan al cerebelo típicamente producen diversas formas de ataxia y dismetría. Una de las posibles aplicaciones de la última investigación de Johns Hopkins sobre células de Purkinje y el proceso cerebeloso de aprendizaje de prueba y error podría ser el desarrollo de métodos más refinados para diagnosticar anomalías cerebelosas.

Otro artículo, “La actividad locomotora modula el aprendizaje asociativo en el ratón cerebelo”, también se publicó el 16 de abril en Nature Neuroscience. Este estudio   descubrió que los ratones que corren más rápido en una cinta de correr aprenden tareas de memoria implícita más rápidamente que sus contrapartes de funcionamiento más lento. Para obtener más información, consulte “¿Por qué correr más rápido acelera el aprendizaje en el cerebelo?”

Referencias

David J. Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo y Reza Shadmehr. “Codificación del error y aprender a corregir ese error por las células de Purkinje del cerebelo”. Nature Neuroscience (Publicado en línea el 16 de abril de 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0136-y

David J., Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo y Reza Shadmehr. “Codificación de la acción de las células de Purkinje del cerebelo.” Nature (2015) DOI: 10.1038 / nature15693

John Eccles, Janos Szentágothai y Masao Ito. “El cerebelo como una máquina neuronal”. Nueva York: Springer Verlag; (1967)

David Marr. “Una teoría de la corteza cerebelosa” The Journal of Physiology (1969) DOI: 10.1113 / jphysiol.1969.sp008820

James S. Albus. “Una teoría de la función cerebelosa.” Mathematical Biosciences (1971) DOI: 10.1016 / 0025-5564 (71) 90051-4

Piergiorgio Strata. “Teoría del aprendizaje cerebeloso de David Marr: 40 años después” The Journal of Physiology (2009) DOI: 10.1113 / jphysiol.2009.180307

Catarina Albergaria, N. Tatiana Silva, Dominique L. Pritchett y Megan R. Carey. “La actividad locomotora modula el aprendizaje asociativo en el cerebelo del ratón”. Nature Neuroscience (Publicado en línea: 16 de abril de 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0129-x