Neuronas y aprendizaje | Diego Gutnisky | TEDxRiodelaPlata

Summary

El video ofrece una visión fascinante sobre la flexibilidad del cerebro y el aprendizaje. Un neurocientífico explora cómo el cerebro humano y los animales aprenden, y cómo la actividad neuronal cambia físicamente al aprender algo nuevo. Presenta la tecnología de microscopio de dos fotones, que ha permitido estudiar estos cambios neuronales. A través de un experimento con ratones, se demuestra cómo los ratones pueden aprender a detectar objetos con sus bigotes y cómo la actividad neuronal se organiza a medida que aprenden. Además, se aborda la posibilidad de modificar artificialmente la actividad neuronal para que los animales ya conozcan realizar una tarea al ser presentados por primera vez. Finalmente, se menciona la aplicación de estos conocimientos en la realidad, con implantes neuronales que permiten a pacientes parapléjicos controlar brazos robóticos con su cerebro, destacando la capacidad del cerebro para adaptarse y aprender nuevas habilidades.

Takeaways

• 🧠 La capacidad de aprendizaje es una característica inherente del cerebro, el cual es el dispositivo más complejo y inteligente conocido.
• 📈 El cerebro cambia físicamente a medida que aprendemos, generando nuevas conexiones entre las células nerviosas.
• 🔬 La neurociencia ha avanzado gracias a tecnologías como la microscopio de dos fotones, lo que permite estudiar la actividad neuronal con precisión.
• 🐭 Los experimentos con ratones demuestran cómo el aprendizaje es una tarea cooperativa a nivel neuronal y cómo las células se especializan en tareas específicas.
• 🤔 A pesar de la flexibilidad del cerebro, existe una estructura inherente que limita la capacidad de cambio de algunas funciones neuronales.
• 🧐 El aprendizaje requiere de la cooperación de múltiples neuronas, lo que hace que el proceso sea robusto y menos dependiente de neuronas individuales.
• 🎓 La neurociencia también está explorando la posibilidad de modificar artificialmente la actividad neuronal para que los animales ya sepan realizar una tarea al ser presentados por primera vez.
• 📊 La experimentación ha demostrado que un único neurona puede ser entrenado para aumentar su actividad hasta un nivel objetivo, recibiendo una recompensa al alcanzarlo.
• 🏆 El éxito en el aprendizaje se ve influenciado por la retroalimentación sobre el estado y la realización de objetivos, similar al proceso de aprendizaje humano.
• 🤖 La flexibilidad del cerebro permite el aprendizaje de nuevas habilidades, incluida la posibilidad de controlar extensiones corporales, como brazos robóticos.
• 🚀 La implantación de dispositivos en el cerebro de pacientes paraplégicos ha permitido el control de brazos robóticos, mostrando la capacidad del cerebro para adaptarse y aprender.
• 🌟 El aprendizaje es una experiencia enriquecedora y accesible en cualquier etapa de la vida, siempre que se mantenga la curiosidad y el deseo de crecer.

Q & A

¿Qué áreas de estudio le interesaron al orador antes de dedicarse a las neurociencias?

El orador estuvo interesado en la ingeniería electrónica y, en particular, en la inteligencia artificial y cómo crear máquinas inteligentes que puedan aprender por sí solas. Luego, su interés se desvió hacia cómo los humanos y los animales aprenden.

¿Cómo describe el orador el cerebro humano en términos de su complejidad?

El orador describe el cerebro humano como el dispositivo más complejo e inteligente que conocemos, compuesto por 80 mil millones de neuronas, cada una de las cuales recibe en promedio hasta 10,000 conexiones de otras neuronas.

¿Cómo cambia físicamente el cerebro humano cuando aprendemos algo nuevo?

Cuando aprendemos algo nuevo, el cerebro cambia físicamente generando nuevas conexiones entre las neuronas. Algunas de estas conexiones se fortalecen o se debilitan a medida que aprendemos.

¿Qué tecnología les permitió a los neurocientíficos medir la actividad neuronal con mayor precisión y seguir la misma neurona a lo largo del proceso de aprendizaje?

La tecnología llamada microscopio de dos fotones les permitió medir la actividad neuronal con mayor precisión y seguir la misma neurona a lo largo del proceso de aprendizaje.

¿Cómo usan los neurocientíficos la microscopio de dos fotones para estudiar la actividad neuronal?

Los neurocientíficos utilizan la microscopio de dos fotones para seguir las mismas neuronas durante semanas, lo que les permite estudiar qué sucede en el cerebro cuando aprende algo nuevo.

¿Qué animales se utilizaron en el experimento para estudiar cómo aprenden y cómo cambian las neuronas a medida que aprenden?

En el experimento se utilizaron ratones, que se enseñaron a detectar la posición de un objeto usando sus bigotes, mientras se medía su actividad neuronal para observar los cambios a medida que aprendían.

¿Cómo se les enseñó a los ratones para que usaran su lengua para comunicar si habían detectado el objeto o no?

Se les enseñó a los ratones a utilizar su lengua de la siguiente manera: si el objeto estaba cerca de su cara, tenían que estirar su lengua, y si estaba lejos, debían mantenerla adentro.

¿Qué se aprendió del experimento con los ratones sobre cómo es el aprendizaje a nivel neuronal?

Se aprendió que el aprendizaje es una tarea cooperativa a nivel neuronal que requiere que muchos neuronas hagan exactamente lo mismo. Esto hace que el aprendizaje sea robusto y no tan dependiente de neuronas individuales.

¿Cómo se podría aplicar el conocimiento adquirido para modificar artificialmente la actividad neuronal de un ratón para que sepa realizar una tarea antes de ser presentada?

Aunque es un desafío ambicioso, los neurocientíficos están trabajando en la posibilidad de modificar artificialmente la actividad neuronal de un ratón de tal manera que, cuando se les presente una tarea, ya sepa cómo realizarla.

¿Qué descubrieron los neurocientíficos sobre la flexibilidad del aprendizaje neuronal y sus límites?

Descubrieron que, aunque el aprendizaje es muy flexible y las neuronas cambian a medida que aprendemos, esta flexibilidad tiene límites. Existe una estructura incorporada en el cerebro que, a veces, no puede cambiar.

¿Cómo se relaciona el aprendizaje de una neurona individual con el aprendizaje humano en términos de recibir información de retroalimentación y recompensa?

El aprendizaje de una neurona individual se relaciona con el aprendizaje humano en el sentido de que se les da información de retroalimentación sobre su estado, se les indica cuánto están lejos del objetivo y se les recompensa cuando logran el éxito.

¿Qué implicancias tiene el gran flexibilidad del cerebro humano para el aprendizaje y la integración de herramientas o extensiones corporales?

El gran flexibilidad del cerebro humano implica que podemos aprender a usar una amplia variedad de herramientas, casi como si fueran extensiones de nuestro cuerpo. Por ejemplo, si sabes tocar la guitarra, es porque en tu cerebro hay circuitos que conocen los movimientos que los dedos deben realizar para tocar cada nota.

¿Qué avances se están experimentando en la integración de implantes neuronales en pacientes paraplegicos para controlar brazos robóticos con su cerebro?

Los implantes neuronales están siendo desarrollados y utilizados en pacientes paraplegicos para permitirles controlar brazos robóticos con su propio cerebro, lo que les da independencia. Estos implantes miden la actividad de algunas neuronas, decodifican esa información y controlan las articulaciones de los brazos robóticos.

Outlines

00:00

🧠 Aprendizaje y la complejidad del cerebro

Este párrafo aborda la diversidad de intereses en el aprendizaje, desde idiomas hasta deportes, y la curiosidad por aprender cosas sin esfuerzo. Se menciona la falta de una 'receta mágica' para el aprendizaje, pero se destaca el rápido progreso en la comprensión del cerebro y la inteligencia artificial. El narrador comparte su trasfondo en ingeniería electrónica y su especialización en la inteligencia artificial y neurociencias. Describe el complejo sistema neuronal formado por 80 billones de neuronas interconectadas y cómo el aprendizaje produce cambios físicos en el cerebro, como la generación de nuevas conexiones neuronales. Se introduce la tecnología de microscopio de dos fotones, que ha permitido observar estos cambios en el cerebro durante el proceso de aprendizaje.

05:02

🐭 Estudio del aprendizaje en un laboratorio

Se relata un experimento en el que se enseña a una rata a detectar la posición de un objeto usando sus bigotes, que son cruciales para la navegación de los murciélagos noctámbros. El proceso de enseñanza involucra la utilización de la lengua del ratón para comunicar si ha detectado el objeto o no. El experimento se realiza en la oscuridad y el ratón recibe una recompensa por la acción correcta. A medida que el ratón aprende, se observa una mayor consistencia en su comportamiento y en la actividad de sus neuronas, que comienzan a especializarse en tareas específicas. Esto demuestra que el aprendizaje es una tarea cooperativa a nivel neuronal y que, aunque es flexible, tiene límites estructurales. Además, se explora la posibilidad de modificar artificialmente la actividad neuronal para 'enseñar' nuevas habilidades a los animales.

10:04

🤖 Ampliación de capacidades cerebrales

Este párrafo explora las implicaciones futuras de la investigación en neurociencia y la inteligencia artificial para mejorar y ampliar las capacidades del cerebro humano. Se discute la flexibilidad del cerebro y cómo los circuitos neurales pueden cambiarse y adaptarse para aprender nuevas habilidades, como tocar la guitarra. Se plantea la idea de integrar conocimientos artificiales en el cerebro y la posibilidad de agregar nuevas extremidades o capacidades, como un brazo robótico controlado por el cerebro. Se menciona el avance de las implantaciones neuronales en pacientes parapléjicos, que les permiten controlar brazos robóticos con su mente, demostrando la capacidad del cerebro para aprender y adaptarse a controlar herramientas externas. El narrador anima a la curiosidad y el aprendizaje, destacando la capacidad del cerebro humano para aprender y adaptarse a nuevas situaciones y herramientas.

Keywords

💡Neurosciencia

La neurociencia es la rama de la biología que estudia el cerebro y el sistema nervioso. En el video, la neurociencia se relaciona con la comprensión de cómo aprenden los humanos y los animales, y cómo se pueden modificar las actividades neuronales para influir en el aprendizaje. Se utiliza para medir la actividad neuronal y entrenar a animales de laboratorio, lo que es fundamental para entender cómo cambia el cerebro a medida que aprendemos.

💡Actividad neuronal

La actividad neuronal se refiere a cómo las células cerebrales, conocidas como neuronas, se comunican entre sí y con el resto del cuerpo. En el video, la medición de la actividad neuronal es crucial para observar cómo el cerebro cambia físicamente al aprender algo nuevo, y cómo las conexiones entre las neuronas se fortalecen o debilitan.

💡Aprendizaje cooperativo

El aprendizaje cooperativo es un proceso en el que múltiples neuronas trabajan juntas para realizar una tarea específica. En el video, se destaca que el aprendizaje no depende de una sola neurona sino de la colaboración de muchas, lo que hace que el proceso de aprendizaje sea robusto y menos dependiente de las células individuales.

💡Plasticidad cerebral

La plasticidad cerebral es la capacidad del cerebro para cambiar su estructura y función en respuesta a nuevas experiencias, aprendizajes y lesiones. En el video, se discute cómo esta plasticidad permite que el cerebro humano y animal adapte sus conexiones neuronales a medida que aprenden nuevas habilidades o información.

💡Tecnología de microscopio de dos fotones

La tecnología de microscopio de dos fotones es una herramienta que permite a los neurocientíficos observar la actividad neuronal en vivo con una precisión muy alta. En el video, esta tecnología es clave para seguir el mismo conjunto de neuronas a lo largo del proceso de aprendizaje, lo que ha abierto nuevas perspectivas en el estudio del cerebro.

💡Implantes neuronales

Los implantes neuronales son dispositivos que se colocan en el cerebro para medir y解码 (decodificar) la actividad de las neuronas. En el video, se mencionan los implantes neuronales utilizados en pacientes paraplégicos, los cuales permiten controlar brazos robóticos con su cerebro, demostrando la capacidad del cerebro para adaptarse y aprender a controlar herramientas externas.

💡Robotic arm

Un brazo robótico es un tipo de mecanismo de asistencia que puede ser controlado por una persona, en este caso, mediante un implante neuronal. En el video, se describe cómo los pacientes con paraplejia pueden utilizar sus cerebros para controlar un brazo robótico, lo que les brinda autonomía y la capacidad de realizar tareas diarias.

💡Cibernético

Un cibernético es alguien que ha integrado tecnología en su cuerpo para mejorar o restaurar funciones corporales. En el video, se hace referencia a las personas que han adoptado implantes neuronales y han adquirido la capacidad de controlar brazos robóticos con su cerebro, lo que los convierte en seres cibernéticos.

💡Conexión neuronal

Las conexiones neuronales son las relaciones que establecen las neuronas entre sí a través de las cuales se transmite la información. En el video, se destaca cómo estas conexiones se generan y se fortalecen a medida que aprendemos, y cómo pueden influirse para cambiar el comportamiento y la capacidad de aprendizaje.

💡Recompensa

Una recompensa es un estímulo que se asocia con la realización de una tarea o el logro de un objetivo, y que funciona como un incentivo para el aprendizaje. En el video, se utiliza la recompensa como un mecanismo para enseñar a las neuronas y a los animales de laboratorio a realizar acciones específicas, destacando el papel crucial de la retroalimentación y la recompensa en el proceso de aprendizaje.

💡Cerebro

El cerebro es el órgano más grande y complejo del sistema nervioso central, responsable de controlar la mayoría de las funciones corporales y del procesamiento de la información. En el video, se discute cómo el cerebro cambia físicamente al aprender y cómo se puede influir en su capacidad de aprendizaje mediante la neurociencia y la tecnología.

Highlights

El cerebro es capaz de aprender cosas de manera increíblemente rápida.

El aprendizaje es un proceso que involucra cambios físicos en el cerebro.

La neurociencia ha avanzado significativamente en la capacidad de medir la actividad neuronal.

La tecnología de microscopio de dos fotones ha permitido observar el aprendizaje cerebral en tiempo real.

Los ratones aprenden a detectar objetos usando sus bigotes, que son esenciales para la navegación nocturna.

Los experimentos muestran que el aprendizaje es una tarea cooperativa a nivel neuronal.

A pesar de la flexibilidad del aprendizaje, el cerebro tiene una estructura inherente que limita los cambios.

Los científicos han logrado modificar artificialmente la actividad neuronal de un ratón para que realice tareas sin entrenamiento previo.

Un solo neurona puede ser entrenado para aumentar su actividad y recibir una recompensa.

El entrenamiento y la retroalimentación son claves en el aprendizaje tanto en neuronas como en seres humanos.

El cerebro humano es extremadamente flexible y puede adaptarse para aprender y usar herramientas como extensiones de nuestro cuerpo.

La posibilidad de añadir miembros o módulos al cuerpo humano, como brazos robóticos controlados por el cerebro, está cada vez más cerca.

Implantes neuronales están permitiendo a pacientes paraplégicos controlar brazos robóticos con su mente.

El aprendizaje y la práctica pueden hacer que los movimientos de un brazo robótico se sientan naturales y formen parte del cuerpo.

El cerebro humano, con sus 80 mil millones de neuronas, tiene el potencial de aprender constantemente y adaptarse.

La curiosidad y el deseo de aprender son fundamentales para el desarrollo del cerebro y la adquisición de nuevas habilidades.

Transcripts

Translator: Gisela Giardino Reviewer: Sebastian Betti

We all like to learn things.

Some of us like to learn a language,

others learn to play musical instruments and others a new sport.

And there are things nobody likes to learn,

but we would love to know.

For example, I would love to know how to play the guitar,

but I don't want to take any lessons.

Maybe learning Chinese, just because.

Frankly, who wouldn't like to learn

anything they wanted with the least possible effort?

I need to curb your enthusiasm a bit, because I don't have a magic recipe.

However, what we know about the brain

is changing at an incredible speed.

We still lack enough to be able to learn

the keys to learning, but today I want to tell you

how are we progressing in this regard.

I studied electronic engineering

and what interested me most, was the area of ​​artificial intelligence

and how to create smart machines that can learn things by themselves.

Then I became interested in how humans,

and animals learn.

There I went to study neurosciences and I learned to measure neuronal activity

and train laboratory animals: mice, monkeys and students.

(Laughter)

Now, the task of a neuroscientist is not that simple.

In fact, the brain is the most complex and intelligent device that we know.

It's composed of 80 billion neurons, like one of these.

To make it worse, each neuron receives on average,

up to 10,000 connections from other neurons.

This is as if each one of you could listen at the same time

and be influenced by all the people present today at TEDxRíodelaPlata.

When we learn something, our brains change

and they change physically.

Although you don't realize it, your brain is changing right now.

What does this mean?

It means that our brain,

generates new connections as we learn.

There are neurons that start to connect with other neurons.

And some of these connections

get stronger or become weaker.

How can we study what happens in the brain

when we learn something new?

Well, we need a way to be able to measure neuronal activity

very precisely.

But the most difficult is that we have to keep track

of exactly the same neurons every day throughout the learning process.

This is what we couldn't do until some time ago.

A new technology allows us to do this,

it's called two-photon microscopy

and it has opened our scope so that we can study

what happens in the brain when it learns.

In this video, I am showing you neurons responding.

These spikes are active neurons.

Those flashes of light, when they are more intense,

indicate a more active neuron, responding better in every turn.

A lot of my work as a neuroscientist

is about trying to relate the intensity of each neuron

with the behavior of an animal.

These microscopes allow us to follow these same neurons I'm showing here

for weeks.

The same, the same.

This opened the door to studying

what happens in a brain for the first time.

And how can we do this?

How can we study how an animal learns?

Well, we have to get a lab animal

and teach them something they didn't know

while, at the same time, we measure their neurons

to see how they change as they learn.

Well, I'm going to tell you how we did this in the laboratory.

We take a mouse and we teach them

to detect the position of an object using their whiskers.

You might ask: why the whiskers?

Well, mice are night animals

and, besides, they don't see very well,

so they use whiskers to navigate their surroundings.

For them, whiskers are like our own fingers.

Here in the video I'm going to show you how a mouse solves this task.

That little black stick you see is the object that they have to detect.

And the mouse starts moving the whiskers like crazy trying to locate it.

The object may appear in different positions.

Now, what we need is the mouse to tell us

where the object was.

How could we teach them that?

Well, we teach them to use their tongue

to tell us if they had detected it or not.

The experiment was like this:

the object could be in two positions,

near the face or away from the face.

If it was close, they had to stick their tongue out

and if it was far away, they had to keep their tongue inside.

And all this was solved in complete darkness.

The craziest of all is that we didn't give the mouse

any particular instruction.

The only thing we gave him is a reward if it was done correctly.

And little by little, the mouse could learn.

Now, when we started the task, the mouse didn't understand a thing.

So they tried to do anything to see if they nailed it.

At first, they moved their whiskers like crazy

to find out if the stick was there, it didn't care about anything else.

Then they got tired and stopped responding for the rest of the day,

There was no way to motivate them.

And sometimes, when they were motivated,

they'd regain their motivation

and play hard and stick their tongues out all the time

to see if they could win a reward.

(Laughter)

Meanwhile we'd measure the neurons, and we'd see exactly the same:

the neurons in total chaos, very hard to understand what they were doing.

But as we the animal was learning,

the behavior would become increasingly consistent.

They waited for the object until it was positioned,

and just then they moved their whiskers and looked for it very carefully.

Once they detected it, just then, they gave us their answer.

And the neurons also began to behave much more orderly.

The task was divided.

There were neurons that learned to respond

only when they moved their whiskers.

Another group that responded when they made contact with the object.

And another ones that spiked when the mouse stuck out its tongue.

What did we learn from this experiment?

We learned that learning

is a cooperative task at neuronal level.

It requires many neurons to do exactly the same.

Because one day they can disappear and stop responding.

That neurons do exactly the same,

that many do exactly the same,

makes learning robust

and not so dependent on individual neurons.

If a neuron dies, there is another that can come to the rescue.

Also, what we discovered is that,

although learning is very flexible and the neurons are changing

as we learn, this flexibility has limits.

What does this mean?

It means that in the brain there is a built-in structure

that, sometimes, can't change.

For example, the neuron that responded to the movement of the whiskers

always did exactly the same thing:

no matter the extra learning, it would never happened to be

a neuron that responded to the contact with the object.

Each neuron respected its own task and their own union.

Now, we already know how it works one brain, approximately

when the mouse knows something.

We are closer to considering the greater challenge:

Could we take a new mouse

and artificially modify its neuronal activity in a way

that when we give them a task, they already know how to do it?

That is, can we sculpt neuronal activity

while the mouse is chilled and relaxed,

and that by the first time we give them a task they already knows how to perform?

Well, this is still pretty ambitious,

but we are on the way to achieve it.

In the lab we set out to do something a little simpler:

Can we grab a neuron, a single neuron of the entire brain

and teach it to do something we want?

I'm going to tell you what we did.

We gave the mouse a signal, that time was running

and what they had to do

was to increase the activity of that neuron to a target

and if they did they got a reward.

And how did we do this?

Well, what we did, and here you can see it in the green line,

is to teach the mouse that this neuron had to increase that activity

until it reaches the goal, that peak they see there,

and there they got a reward.

To help the neuron, we gave they a sound.

A lower pitch sound if they were far from the target

and a higher pitch sound if they were closer.

In the same way the mouse did with their whiskers in the beginning,

the mouse didn't know what to do to change neuronal activity.

By insisting to make the link between the goal --

to increase neuronal activity --

and the reward, the neuron learned to respond faster and faster.

Even though we took a single neuron,

this is the first step so that one day

we can incorporate artificial knowledge in brains.

Also, what we learned from this experiment

is that for the neuron to learn,

the only thing we had to give them feedback information of their state,

tell it how far it was from the goal

and give it a reward when it succeeded.

Basically, to teach this neuron,

we didn't do anything different to what we do

when we learn something:

we practice a lot, someone tell us if things are right or wrong

and we receive, eventually, a reward if we do it well.

I hope I have convinced you, for now, that the brain

is enormously flexible and that our neural circuits

can change at any time.

Thanks to this, we can learn to use a lot of tools

almost as if they were extensions of our body.

If you know how to play the guitar it's because in your brain

there are circuits that know what movements the fingers do

to make each note.

For your brain, after all,

your hand is no different than a tool.

Now, if for your brain is not so different

to learn to control your arm than controlling a tool,

does it mean that we could add new limbs?

For example, could we add a module, a chip,

that allows us to control a robotic arm?

Or even crazier, something that adds more learning capacity, more memory,

that comes pre-loaded with languages -- Chinese in my case --

or help us do mental calculations much faster?

Although it looks like science fiction, these men and women cyborgs,

are already among us.

They are beginning to do neuronal implants in paraplegic patients

so that patients can control

a robotic arm with their own brain and gain independence.

These implants measure the activity of a few neurons,

decode that information

and control the joints of robotic arms.

Just like before, in the beginning the brain

doesn't know how to control it, but by effort and practice,

trial and error, it can learn.

What you see here is a patient with one of these implants:

that little box above their head.

With her own brain she is controlling that robotic arm.

Thanks to the huge brain flexibility,

she has managed to change her neural circuits

in a way to control the robotic arm efficiently.

With a lot of practice, movements become more natural

and they begin to be part of her own body.

And, for the first time, in many years,

the patient can help herself a drink.

(Applause)

The final smile of the patient reminds us of how nice

is to learn something new for the first time.

To achieve something considered impossible before.

We live something like this, perhaps, when we are babies

and we get to say our first words and we manage to walk;

as children when we learn to write

and, perhaps, to play soccer;

at twenty-something when we study a career, or a profession.

Sometimes as an adult we don't have as much patience or time to learn

but if you have the curiosity and you want to learn something new,

remember how nice it is

and don't doubt that your brain is prepared for that.

Because, after all, if a neuron can learn,

aren't 80 billion also able to?

Thank you!

(Applause)