Apuntes científicos desde el MIT

Texto escrito por Victoria Puig,
investigadora del Picower Institute (MIT)

APRENDIZAJE A ALTA VELOCIDAD EN EL SOFTWARE CEREBRAL
por Vicky Puig

Se dice que el hombre es el único animal capaz de tropezar dos veces con la misma piedra. Lo que esta expresión viene a decir es que nos cuesta aprender de nuestros errores, en los que algunos de nosotros reincidimos una y otra vez.

Pues bien, nuestro laboratorio en el MIT ha publicado recientemente un artículo donde se describe el mecanismo neuronal que podría explicar este fenómeno tan común. La prensa se ha hecho eco de este descubrimiento, incluido El País, que publicaba hace un par de días un artículo al respecto. Simplificando mucho, el estudio muestra cómo neuronas de ciertas áreas cerebrales aprenden de la experiencia sólo cuando hemos hecho algo correctamente y no cuando hacemos algo mal. Las neuronas son capaces de recordar si una acción reciente recibió una compensación y utilizar esa información para decidir qué hacer en el presente, mientras que si cometemos una equivocación no hay consecuencias inmediatas a nivel neuronal.

A continuación os explico cómo se realizó el estudio.
Se entrenó a dos monos a aprender asociaciones entre imágenes y movimientos con los ojos. Las imágenes se presentaban en el centro de la pantalla del ordenador (Cue), tras lo cual los animales tenían un segundo para recordar la asociación (Delay). Los movimientos de los ojos debían dirigirse a un punto a la derecha o a la izquierda de la pantalla (Response). Por ejemplo, cuando aparecía la imagen de arriba debían mirar al punto de la derecha y cuando aparecía la imagen de abajo debían mirar al punto de la izquierda. Cada una de las imágenes se presentaba un 50% de las veces de forma aleatoria. Los animales aprendieron las asociaciones por prueba y error repitiendo cientos de veces la misma tarea (de hecho todavía lo hacen cada día en el laboratorio): cuando el movimiento de los ojos era el correcto recibían zumo, pero cuando el movimiento era el incorrecto no recibían nada.

Mientras los monos aprendían las asociaciones mis compañeros registraban neuronas en dos áreas del cerebro que se sabe que son esenciales para el aprendizaje: la corteza prefrontal y el núcleo caudado. Se observó que algunas neuronas disparaban más rápidamente cuando la prueba se completaba con éxito en comparación a cuando la prueba se realizaba incorrectamente. Hasta ahora se sospechaba que la distinta actividad relacionada con el premio o la ausencia de premio era fundamental para el proceso de aprendizaje, pero no se conocía el mecanismo. Este nuevo trabajo propone un mecanismo celular que explica el aprendizaje a corto plazo (de segundos a minutos).

Hasta ahora se habían propuesto dos modelos para explicar las bases neuronales del aprendizaje: 1) la actividad neuronal relacionada con el premio induce un cambio rápido del cableado neuronal reforzando las conexiones sinápticas entre las neuronas, y 2) la actividad neuronal asociada con el premio se mantiene de alguna forma en las redes de neuronas en forma de potenciales de acción, posiblemente sincronizados. Los dos modelos no son excluyentes y es muy probable que coexistan en el cerebro, pero todavía no se ha podido demostrar.
Para los neurocientíficos estos dos mecanismos tienen bases fundamentalmente distintas: en un modelo la memoria se guarda físicamente (se cambia el hardware), mientras que en el otro la memoria se ‘mantiene’ en forma de actividad (se cambia sólo el software). Una importante diferencia entre estos dos modelos es que los cambios físicos en el cerebro necesitan minutos para producirse -y en muchos casos horas- porque requieren la síntesis de proteínas, mientras que el mantener la actividad en redes neuronales permitiría una memorización inmediata.

Este nuevo trabajo confirma que durante los primeros segundos del proceso de aprendizaje el cerebro memoriza utilizando el software, sin descartar que ocurran cambios en el hardware a más largo plazo. Los resultados han aparecido tras el análisis detallado de la actividad neuronal relacionada con el premio. Cuando los monos recibieron el zumo la actividad de algunas de sus neuronas aumentó y se mantuvo elevada durante muchos segundos, el tiempo suficiente para influenciar la actividad de la prueba siguiente. Además, inmediatamente después de una respuesta acertada, las neuronas procesaron la información de modo más preciso y efectivo en comparación a si la respuesta anterior estaba equivocada. Es como si tomáramos una instantánea del cerebro aprendiendo, donde las neuronas van aumentando y refinando poco a poco su actividad (prueba correcta tras prueba correcta) para codificar el aprendizaje. Estos resultados sugieren que para recordar algo durante unos segundos o minutos no es necesario cambiar las conexiones físicas entre las neuronas.

Sorprendentemente, los cambios en la actividad neuronal comentados arriba no ocurrieron cuando los monos cometían un error y no recibían el zumo. Básicamente, los errores apenas indujeron algún cambio a nivel neuronal, y no ayudaron a mejorar el aprendizaje de los animales. Esto sugiere que los monos aprendieron más de los aciertos que de los errores. Es esencial dejar claro que estamos hablando de puro aprendizaje de asociaciones abstractas, donde un acierto implica un premio y un error implica la ausencia de un premio y no un castigo. Está bien demostrado que cuando un error conlleva un acto desagradable o repulsivo sí existe aprendizaje a nivel neuronal.

Este estudio aporta ideas valiosas para empezar a entender por qué algunas personas somos propensas a tropezar con las mismas piedras reiteradamente. Aún más importante es que estos resultados nos ayudan a conocer mejor los mecanismos esenciales del aprendizaje y sugieren que la memoria a corto plazo puede mantenerse en el software sin necesitar cambios en el hardware cerebral.

Reconozco que este post puede ser dificilillo de entender. El aprendizaje y la memoria son fenómenos extremadamente complejos, y es difícil explicarlos mediante mecanismos simples. Sobretodo porque los mismos científicos no comprendemos aún las reglas básicas del juego. Por favor, no dudéis en preguntarme todo lo que no os ha quedado claro.

Vicky y Miquel son dos neurocientíficos que realizan su investigación post-doctoral en el Picower Institute del Massachussets Institute of Technology (MIT) de Boston.

Hace ya un tiempo Miquel Bosch nos contó cómo intenta averiguar dónde guardamos los recuerdos y la manera en que se consolida la memoria.
Meses después, Victoria Puig nos explicó sus estudios con macacos destinados a entender cómo su corteza cerebral aprende a realizar tareas complejas.

Desde hoy mismo, son los nuevos fichajes de este blog y alimentarán periódicamente la sección “Apuntes neurocientíficos desde el MIT”, donde revisarán desde su perspectiva científica pero de manera amena los últimos avances en la comprensión de este cerebro que nos hace humanos. ¡Bienvenidos!
Inaugura los "Apuntes Neurocientíficos", Vicky.

MONOS TRANSGÉNICOS: ¿EL LÍMITE DE LA ÉTICA CIENTÍFICA? Por Vicky Puig

Empezamos la sección con un descubrimiento que está revolucionando a la comunidad científica: la creación por primera vez de una familia de monos transgénicos. Los animales transgénicos son animales a los que se les ha introducido material genético que no pertenece a su especie. Hasta ahora se ha conseguido generar linajes de animales transgénicos de muchas especies: ratones, ratas, perros, gatos, conejos, ovejas… y ahora monos, en los que el gen introducido o transgen se pasa de generación en generación.

El estudio se ha publicado recientemente en la revista Nature (Mayo de 2009). El laboratorio, de origen japonés, ha conseguido que una generación de monos tití pase el gen de una proteína verde fluorescente procedente de una medusa (la GFP de ‘green fluorescent protein’) a su descendencia. Esto significa que la diferencia entre estos monos transgénicos y los normales es que los primeros son ‘verdes’ cuando se iluminan bajo luz ultravioleta, algo que de momento no es de mucha utilidad.

La idea es que en el futuro se puedan crear familias de monos con genes de enfermedades como el Parkinson o la esclerosis múltiple para ayudar en el entendimiento y tratamiento de estos males. Este trabajo no está exento de polémica debido a sus implicaciones éticas, ya que si se continúa desarrollando esta técnica será posible crear seres humanos transgénicos muy pronto.

La utilización de animales genéticamente modificados es fundamental para la Biología y la Biomedicina en general, pero este descubrimiento puede ayudar especialmente a avanzar en la comprensión de cómo funciona el cerebro.

En la actualidad existen muchos animales genéticamente modificados que se utilizan como modelo de enfermedades psiquiátricas y neurodegenerativas como el autismo, la esquizofrenia o el Alzheimer. La mayoría son familias de ratones a las que les han quitado un gen importante para el funcionamiento normal de las células, o en las que han introducido un gen con mutaciones específicas detectadas en familias humanas. Se utilizan preferentemente ratones, y no otras especies, porque los ratones son pequeños y fáciles de manejar, se reproducen muy rápido, y su anatomía y fisiología se conoce muy bien. La experimentación con estos animales pretende comprender mejor las causas que generan las enfermedades y permite probar posibles terapias.

En el siguiente par de videos (clicar en Behavior a la derecha) podréis ver un modelo de ratón con autismo , una patología grave provocada por deficiencias en el desarrollo del cerebro que se manifiesta por desinterés por el entorno social y que incluye una deficiencia severa en el habla. En los videos se muestran dos cubículos con dos ratones cada uno. Uno de los ratones está confinado en una cámara circular y el otro, que puede moverse libremente, puede decidir si interaccionar con él o no. En el cubículo de la izquierda hay dos ratones normales, y el que está libre, siguiendo el comportamiento natural de los ratones, va inmediatamente a socializarse con el otro. En el cubículo de la derecha, sin embargo, el ratón libre tiene inactivado el gen Pten, un gen candidato a estar involucrado en el autismo. Este ratón, aunque se mueve por el cubículo, prefiere no interaccionar con el ratón en la cámara circular, lo que indica poco interés en socializarse. Estos experimentos dan mucho que pensar porque demuestran claramente que nuestro comportamiento depende, al menos en parte, de los genes que hemos heredado: en este caso, la alteración de un solo gen es capaz de afectar el nivel de socialización del animal.

La limitación de estos modelos es que normalmente los animales genéticamente modificados sólo muestran algún aspecto concreto de las enfermedades, y eso es debido a que la mayoría de enfermedades mentales están causadas por la alteración de muchos genes a la vez, además de otras causas no genéticas. De hecho, crear un ratón verdaderamente ‘autista’ o ‘esquizofrénico’ es imposible, porque muchas de las deficiencias de los pacientes se dan en propiedades cognitivas inherentes al ser humano difíciles de reproducir en otros animales (en el modelo anterior de autismo, por ejemplo, no podemos estudiar deficiencias en el lenguaje). Está claro que los monos transgénicos podrían ser un modelo muchísimo mejor.

La comunidad científica está haciendo un gran esfuerzo para crear modelos de enfermedades mentales en monos. Ahora hace un año, se crearon monos transgénicos con el gen de la enfermedad de Huntington. Se optó por crear estos monos porque el Huntington es una de las poquísimas enfermedades del cerebro producidas por la alteración de un solo gen, el de la proteína huntingtina. El problema es que aunque estos monos tienen incorporado el gen humano mutado no pueden pasarlo a la descendencia, lo que hace que su utilización sea muy limitada. La creación de familias de monos transgénicos (en las que el gen alterado sí puede heredarse) con la enfermedad de Huntington podría acelerar el descubrimiento de una cura, porque muchos laboratorios podrían investigar a la vez con un modelo animal muy parecido al humano. La mutación en el gen de la huntingtina hace que mueran muchas neuronas en el cerebro, lo que tiene consecuencias devastadoras: movimientos descontrolados, cambios de humor súbitos, deficiencia cognitiva… En pocos años los pacientes no pueden caminar o hablar. Y de momento es una enfermedad incurable.

Humanos transgénicos?
Aunque los monos tití no son chimpancés o orangutanes, es fácil imaginar que en algunos años sea posible crear humanos transgénicos. Pero que sea posible no significa que se vaya a hacer, ni que se deba hacer, por supuesto. La polémica está servida… Y si el ejército decide crear SuperHumanos, con más masa muscular, mejor visión, mejor coordinación motora? Ahí dejo volar vuestra imaginación…

Si esto os parece de película, os animo a mirar el siguiente video donde investigadores del Case Western Reserve University en Ohio, USA, muestran a un ratón modificado genéticamente para que la eficiencia en el consumo energético esté muy mejorada, y lo convierte en un SuperRatón, ya que puede correr y correr sin parar durante horas…

Será imprescindible crear un nuevo marco legal alrededor de esta tecnología, exactamente igual a lo que ha pasado con las células madre. Y ya sabéis que el tema ha traído años de controversia. Por otro lado, disponer de familias transgénicas de monos muy evolucionados (como por ejemplo chimpancés) sería de mucha utilidad para comprender y encontrar tratamientos a enfermedades tan complejas como las mentales… pero cuál es el límite ético?

Buscando la referencia al artículo de Marc Hauser sobre los macacos resentidos que comentamos en este post , encontré otro que también da juego para divagar acerca del mono que todos llevamos dentro.

La pregunta “¿hay algo fundamental que diferencia a los humanos del resto de los animales?” siempre suscita interesantes conversaciones. Hasta hace unos días yo tenía una respuesta que me parecía original: “La paciencia!! Los homínidos somos los únicos que no sucumbimos a la recompensa inmediata si intuimos que la espera o el sacrificio nos reportará un beneficio mayor en el futuro. El resto de impulsivos animales no tienen esta capacidad de extrapolación y autocontrol, sin embargo nosotros mantenemos esta actitud hasta el sinsentido.”

De hecho, esta hipótesis ya venía avalada por varios experimentos.
En uno , a monos tamarinos y marmosetes les daban a escoger entre un poco de comida inmediata o una cantidad mayor en el futuro, y casi siempre se quedaban con la opción rápida.
En cambio, cuando a los miembros de esa especie que se coloca en la cima de la evolución les ofreces una cantidad económica ahora, o el doble dentro de un tiempo, la mayoría piensa y decide esperar.
Conclusión: la paciencia es una propiedad básicamente humana.

¿Seguro? Al grupo de Marc Hauser no le encajaban un par de aspectos:
1- ¿qué ocurriría si en lugar de tamarindos y marmosetes los experimentos se hicieran con primates más cercanos evolutivamente a nuestra especie?
2- ¿y si a esos sofisticados humanos les dieran a escoger comida en lugar del moderno dinero?
Podéis imaginar la respuesta: continuamos siendo muy monos.

En un primer estudio diseñaron un sistema que permitía a bonobos y chimpancés entender que podían escoger entre 2 uvas de inmediato o 6 con un retraso de un par de minutos.
Era la misma metodología que se había utilizado con los tamarindos, pero como indica la figura contigua, los resultados fueron muy diferentes.
Bonobos y chimpancés exhibían un grado de paciencia nunca vista hasta el momento en el reino animal.

Luego realizaron un segundo estudio en el que comparaban la disposición de chimpancés y humanos a esperar por una cantidad de comida mayor. Sorprendentemente los estudiantes universitarios que participaron en la investigación eran más impacientes que los chimpancés, y soportaban peor la tentación de comer lo antes posible.

En un tercer experimento quisieron comprobar si los humanos respondíamos de manera muy diferente ante los premios basados en comida o en dinero. Los resultados indicaron que estamos dispuestos a esperar mucho más por recompensas monetarias futuras:
Somos muy humanos para el dinero, pero muy monos para la comida.

Está claro que el dinero es intercambiable por otros productos, no ofrece la misma satisfacción inmediata, y se puede guardar más tiempo que los alimentos. Quizás eso influye en la diferencia de actitud. También se observó un efecto curioso en marmosetes y tamarinos: dentro de lo poco que ambos esperaban, los marmosetes –que se alimentan de vegetales- tenían más paciencia que los tamarinos, cuya dieta incluye insectos que requieren cazarse con acciones rápidas.

Puede haber diversas interpretaciones, pero la conclusión del estudio es que la capacidad de tomar decisiones pensando en el futuro es un rasgo evolutivo que apareció antes de la llegada de los homínidos. Y como ilustra Mikel Urmeneta , en ciertos contextos nuestros parientes más cercanos son incluso más pacientes que nosotros y reciben mayor recompensa.

Además, somos muy racionales con algo como el dinero que nuestra mente más primitiva no entiende, pero cuando nos ponen delante unos estímulos más primarios, parece que no hayamos evolucionado tanto como nos creemos…

¿Alguien se atreve a aventurar algo en lo que seamos fundamentalmente diferentes del resto de animales?

PD: Mil gracias de nuevo a Mikel por la fenomenal ilustración, y feliz 200 cumpleaños a Charles Darwin.

Este video es un clásico, pero si no lo conocéis os animo a poner a prueba vuestra capacidad de concentración.
Veréis dos grupos de chicos y chicas pasándose un par de pelotas de baloncesto. Se van entremezclando y en ocasiones pueden dificultar la visión. Se trata de que os concentréis al máximo y contéis los pases que realiza el equipo blanco durante los 27 segundos que dura el video. Repito: sólo el equipo blanco.
Ahí va, intentad no distraeros ni un instante e ir contando mentalmente, porque al mínimo descuido se pierde el hilo:

Vi este video por primera vez en una charla de neurociencia en Barcelona, y por último en otra de Dan Ariely hace unas semanas en Washington DC. Ambos hicieron algo que por desgracia sólo puedo repetir en este blog en sentido figurado…:

- “Levantad la mano los que hayáis contado más de 15 pases”. Unos pocos lo hicieron
- “Ahora los que hayan contado 15”
- “¿quién ha contado 14?”
- “13?”
- “¿menos de 13?”
- “¿Quién ha visto el mono?”
Aproximadamente un tercio de los brazos se levantaron tras esta última pregunta, y el resto de asistentes empezaron a mirarse unos a otros con desconcierto.

Los que no hayáis visto el mono, os sugiero que volváis a pasar el video sin contar pases, y comprobéis lo que es capaz de ignorar vuestro cerebro cuando estáis profundamente concentrados en algo…

Sorprendente, no? El video suele utilizarse como punto de partida para analizar aspectos en psicología de la percepción, pero el mensaje básico es contundente: cuanto más fijamos nuestra atención en algún detalle, más restringimos nuestra visión global de la situación.
Y esto no ocurre únicamente al contar pases y obviar monos. A veces es saludable hacer un parón, coger distancia, y ver qué está sucediendo a tu alrededor sin que tú te estés enterando.
Las vacaciones pueden ser un buen momento para ello…

Feliz Navidad!!!