Como o cérebro aprende a fazer inferências

resumo: Os pesquisadores descobriram como o cérebro processa o raciocínio inferencial registrando a atividade dos neurônios dos indivíduos à medida que aprendem por tentativa e erro. O estudo revelou que certas regiões do cérebro, especialmente o hipocampo, criam representações neurais geométricas quando as pessoas inferem com sucesso novas regras a partir de conhecimentos prévios.

Essas descobertas fornecem informações sobre como o conhecimento conceitual é codificado no cérebro e podem informar tratamentos futuros para transtornos neuropsiquiátricos. A pesquisa também mostrou que padrões neurais semelhantes são formados quer a aprendizagem ocorra através da experiência ou da instrução verbal.

Principais fatos:

• O hipocampo é conhecido por ser responsável pela memória espacial e codifica mapas cognitivos para raciocínio lógico.
• A atividade neuronal foi visualizada como formas geométricas de alta dimensão durante o pensamento bem-sucedido.
• A instrução verbal e a aprendizagem por tentativa e erro produzem representações neurais semelhantes.

fonte: Universidade de Columbia

É preciso cérebro para deduzir como duas coisas no mundo estão relacionadas entre si, seja a forma como o mau tempo está ligado aos atrasos nas deslocações ou como as condições ambientais levam à evolução das espécies.

Um novo estudo, baseado em gravações em cérebros humanos, gerou um enorme tesouro de dados que os investigadores utilizaram agora para revelar, com maior clareza do que nunca, as concretizações neurais do pensamento inferencial.

“Estamos começando a entender como o cérebro aprende e como extraímos conhecimento daquilo que vivenciamos”, disse o Dr. Uli Roteshauser, um dos autores do estudo e professor de neurologia, neurocirurgia e ciências biomédicas no Cedars-Sinai Medical Center.

O estudo, conduzido como parte de um consórcio multi-institucional financiado pelo National Institutes of Health’s Brain Research através da iniciativa Advancing Innovative Neurotechnologies ®, ou BRAIN ® Initiative, foi publicado online hoje em natureza.

Usando gravações elétricas de mais de 3.000 neurônios em 17 voluntários com epilepsia que estavam sendo submetidos a monitoramento invasivo no hospital para identificar as fontes de suas convulsões, os pesquisadores coletaram “um conjunto de dados único que nos permite, pela primeira vez, observar como as células cerebrais representam um processo de aprendizagem que é crítico para o raciocínio inferencial”, disse Stefano Fossi, Ph.D., pesquisador principal do Instituto Zuckerman para Mente e Comportamento da Universidade de Columbia e outro coautor do estudo.

Enquanto os pesquisadores gravavam os neurônios, os cientistas desafiaram os participantes com uma tarefa simples de inferência. Nesta tarefa, os participantes descobriram, por tentativa e erro, as associações corretas que os recompensavam com dinheiro entre imagens, como imagens de um carro ou de um pedaço de fruta, e pressionando um botão esquerdo ou direito.

Depois que os participantes aprenderam essas associações para um conjunto de imagens, os pesquisadores alternaram entre o botão que representa a associação correta para cada imagem.

Inicialmente, os voluntários fizeram escolhas incorretas, sem perceber que as associações que aprenderam anteriormente haviam mudado. No entanto, estes erros permitiram aos voluntários inferir rapidamente que uma nova regra de botão de imagem tinha entrado em vigor, e puderam inferir que todas as novas regras de botão de imagem tinham mudado, mesmo aquelas que ainda não tinham experimentado. Os cientistas comparam esta tarefa experimental a conclusões da vida real, como aquelas que os viajantes no estrangeiro muitas vezes precisam de tirar.

“Se você mora em Nova York e Londres e voa para o Reino Unido, sabe que precisa olhar para a direita quando quiser atravessar a rua. Você mudou para um estado de espírito diferente que representa a regra de trânsito que representa. você aprendeu morando em Londres”, disse o Dr. Fauci. Ele também é professor de neurologia na Faculdade de Médicos e Cirurgiões Vagelos da Universidade de Columbia e membro do Centro de Neurociência Teórica da Universidade de Columbia.

“Mesmo que visite locais onde nunca esteve antes no Reino Unido, como o interior do País de Gales, conclui que as novas regras ainda se aplicam lá. Ainda é necessário olhar para a direita em vez de para a esquerda ao atravessar a estrada”, acrescentou.

“Este trabalho demonstra a base neural do conhecimento conceitual, que é essencial para o raciocínio, raciocínio, planejamento e até mesmo regulação emocional”, disse o Dr. Daniel Salzman, um dos autores do estudo. natureza Por: John Zuckerman, investigador principal do Instituto Zuckerman e professor de psiquiatria e neurociência na Faculdade de Médicos e Cirurgiões Vagelos da Universidade de Columbia.

Mas como esses tipos de pensamento são expressos fisicamente na atividade dos neurônios? Usando ferramentas matemáticas que o Dr. Fauci refinou para combinar gravações de milhares de neurônios, os pesquisadores reformularam a atividade cerebral dos voluntários em representações geométricas – formas – embora ocupando milhares de dimensões, em vez das três dimensões familiares que normalmente imaginamos.

“São formas geométricas de alta dimensão que não podemos imaginar ou ver na tela de um computador”, disse o Dr. “Mas podemos usar técnicas matemáticas para visualizar versões simplificadas deles em 3D.”

Quando os investigadores compararam os padrões de actividade cerebral entre casos em que os participantes fizeram inferências bem sucedidas com casos em que as suas inferências falharam, surgiram diferenças gritantes.

“Em alguns grupos de neurônios, durante o aprendizado, vimos transições de representações desorganizadas para essas belas estruturas geométricas que estavam associadas à capacidade de fazer raciocínio dedutivo”, disse o Dr.

Além disso, os investigadores apenas observaram estas estruturas em gravações do hipocampo e não em outras regiões do cérebro monitorizadas pelos cientistas, como a amígdala e regiões do córtex pré-frontal. A descoberta é surpreendente, disseram os pesquisadores, porque o hipocampo tem sido visto há muito tempo como o local do cérebro para incorporar mapas neurais de espaços físicos.

As novas descobertas mostram que também é capaz de criar mapas cognitivos ligados a funções cerebrais como raciocínio e aprendizagem.

Outra descoberta surpreendente da pesquisa é que os voluntários que aprendem as regras associativas entre imagens e botões apenas através de instruções verbais, e não através de experiência de tentativa e erro, ainda assim formam as mesmas “representações neurais lindamente organizadas no hipocampo”, disse Rottishauser. disse.

Esta é uma observação importante, disse ele, porque embora os humanos muitas vezes aprendam uns com os outros através de trocas verbais, sabemos pouco sobre como a informação verbal muda as representações neurais.

“As instruções verbais são como construímos conhecimento sobre coisas que nunca experimentamos antes. Nosso trabalho agora mostra que as instruções verbais levam a representações neurais organizadas muito semelhantes em comparação com aquelas que resultam da aprendizagem experiencial”, acrescentou o Dr.

Os investigadores sublinham que nenhuma destas descobertas teria sido possível sem a cooperação e participação voluntária de pacientes com epilepsia resistente a medicamentos que estiveram no hospital após a cirurgia.

Os médicos dos pacientes implantaram eletrodos para coletar temporariamente dados neurológicos com o objetivo de determinar a origem das crises epilépticas de cada pessoa, com o objetivo final de usar essas informações para posterior tratamento cirúrgico ou baseado em neuromodulação.

“Esses indivíduos nos deram uma oportunidade valiosa de aprender algo novo sobre como nosso cérebro funciona”, disse o Dr. Roteshauser.

Dr. Tawfiq Valiant, pesquisador associado do Krempel Research Institute e do Departamento de Neurocirurgia da Universidade de Toronto, contribuiu para este estudo ao inscrever pacientes. O estudante de pós-graduação Christos Kourilis e o pesquisador de pós-doutorado Juri Minksa, PhD, no Cedars-Sinai Medical Center e Caltech, também conduziram a maior parte da coleta e análise de dados do estudo.

“Este estudo fornece novos insights sobre como nossos cérebros nos permitem aprender e executar tarefas com flexibilidade e em resposta a mudanças de circunstâncias e experiências”, disse o Dr. Merav Sabri, Diretor do Programa da Brain Initiative.

“Essas ideias baseiam-se em um corpo de conhecimento que pode um dia nos levar a intervenções para tratar condições neuropsiquiátricas que envolvem déficits de memória e tomada de decisões.”

Sobre esta notícia de pesquisa em neurociência

autor: Evan Amato
fonte: Universidade de Columbia
comunicação: Evan Amato – Universidade de Columbia
imagem: Imagem retirada do Neuroscience News

Pesquisa original: O acesso está aberto.
“Representações abstratas emergem em neurônios do hipocampo humano durante o raciocínio“Por Uli Roteshauser et al. natureza

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um resumo

Representações abstratas emergem em neurônios do hipocampo humano durante o raciocínio

Os humanos têm uma incrível capacidade cognitiva de se adaptar rapidamente a ambientes em mudança. Um ponto forte dessa habilidade é a capacidade de formar representações abstratas de alto nível que aproveitam as regularidades do mundo para apoiar a generalização.

No entanto, pouco se sabe sobre como essas representações são codificadas em grupos de neurônios, como emergem através da aprendizagem e como estão ligadas ao comportamento.

Aqui caracterizamos a arquitetura representacional de populações neuronais (unidades únicas) registradas no hipocampo, amígdala, córtex pré-frontal medial e córtex temporal ventral de pacientes neurocirúrgicos realizando uma tarefa de raciocínio inferencial.

Descobrimos que apenas as representações neurais formadas no hipocampo codificam muitas variáveis ​​de tarefa simultaneamente em um formato abstrato ou não sináptico.

Essa arquitetura representacional é observada exclusivamente depois que os pacientes aprendem a fazer inferências e consiste em importantes variáveis ​​latentes que são diretamente observáveis ​​e detectáveis.

Aprender a raciocinar por tentativa e erro ou por meio de instruções verbais levou à formação de representações do hipocampo com propriedades geométricas semelhantes.

A relação observada entre forma representacional e comportamento de inferência sugere que a geometria representacional abstrata e discreta é importante para a cognição complexa.