Codificación eficiente: cómo el cerebro optimiza la asignación de recursos

Representación binaria de un paisaje. Crédito: Eugenio Piasini

Una colaboración entre SISSA y la Universidad de Pensilvania indica la existencia de un proceso eficiente de codificación sensorial en ratas, lo que sugiere un principio general para el uso óptimo de los recursos computacionales. El estudio, publicado en eLife, allana el camino para comprender los mecanismos neuronales subyacentes a esta eficiencia y para el desarrollo de sistemas de inteligencia artificial basados en principios similares.

Se supone que los cerebros de los seres humanos en reposo utilizan una quinta parte de la energía producida por sus cuerpos, es decir, unos 20 W de potencia. De hecho, el costo sería mucho mayor si nuestros cerebros no estuvieran equipados con un mecanismo de codificación eficiente que nos permita representar solo la información que es realmente útil en el vasto flujo continuo de estímulos sensoriales. Un nuevo estudio realizado por SISSA y la Universidad de Pensilvania, publicado en eLife, muestra la existencia de procesos de codificación eficientes similares para estímulos visuales en roedores. Los resultados añaden apoyo a la importante teoría de codificación eficiente de la percepción sensorial y allanan el camino hacia nuevos enfoques experimentales para comprender los mecanismos neuronales subyacentes y el desarrollo de nuevos protocolos de entrenamiento para sistemas de visión artificial.

Al principio ‘ 60, el científico británico Horace Barlow propuso la hipótesis de la codificación eficiente. «Según esta teoría, nuestro cerebro puede representar de manera eficiente la información sensorial utilizando un código neuronal que minimiza la cantidad de impulsos y, por lo tanto, la energía necesaria para codificar y transmitir la información», explica Davide Zoccolan, director del Laboratorio de Neurociencia Visual de la Scuola. Internazionale Superiore di Studi AvanzatiSISSA. «Esto sucede en particular en el sistema visual, debido a la disminución del número de neuronas en las áreas más profundas de la corteza que reduce la capacidad de representación».

Según la teoría de la información, que sustenta la hipótesis de la codificación eficiente, un sistema sensorial eficiente debería asignar preferentemente recursos computacionales para representar aquellas características estadísticas del entorno que son más informativas sobre su estado. En el caso del sistema visual, esto significa codificar las características más informativas de las imágenes naturales que nos rodean.

Vijay Balasubramanian, neurocientífico computacional de la Universidad de Pensilvania, ha estado trabajando en este tema durante los últimos década pasada: “Analizamos miles de imágenes de paisajes naturales transformándolas en imágenes binarias, formadas por píxeles en blanco y negro, y descomponiéndolas en diferentes texturas definidas por estadísticas específicas”, dice el investigador. «Nos dimos cuenta de que los diferentes tipos de texturas tienen una variabilidad diferente en la naturaleza y los sujetos humanos son mejores para reconocer aquellas que varían más. Es como si nuestros cerebros asignaran recursos donde son más necesarios».

Hasta ahora no había pruebas de que en otras especies se produjeran percepciones de texturas visuales igualmente eficientes. En un nuevo estudio, publicado en eLife, los equipos de Zoccolan y Balasubramanian establecieron que el efecto ocurre en roedores.

Riccardo Caramellino, primer autor del estudio, junto con Andrea Buccellato y Anna Carboncino, entrenaron a los animales para discriminar imágenes binarias compuestas de píxeles aleatorios en blanco y negro a partir de texturas creadas según criterios probabilísticos específicos, como se hacía anteriormente con sujetos humanos. Luego analizaron los resultados utilizando un modelo matemático de un «observador ideal» desarrollado por Eugenio Piasini, coautor del artículo. Los científicos observaron que los roedores, al igual que los humanos, son más sensibles a las texturas que varían más en la naturaleza.

«Hemos encontrado, en roedores, un patrón de sensibilidad perceptiva para las texturas visuales que es consistente con una eficiente y es el mismo que se observó previamente en humanos, a pesar de la distancia filogenética entre estas especies. Este resultado sugiere que la codificación de textura eficiente puede ser un principio universal en la visión», comenta Zoccolan. «El sistema visual parece adaptarse al entorno que lo rodea a través de una especie de exposición pasiva, especializándose en el reconocimiento de señales que son más informativas, lo que permite un ahorro considerable de recursos computacionales y energía. Nuestro estudio allana el camino para nuevos enfoques experimentales para investigar los mecanismos neuronales detrás de este proceso fundamental. También sugiere nuevas formas de entrenar sistemas de visión artificial, basados en el mismo principio».

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Así es como el sistema visual nos muestra un mundo más persistente Más información: Riccardo Caramellino et al, La sensibilidad de las ratas a las estadísticas multipunto se predice mediante la codificación eficiente de escenas naturales, eLife (2021). DOI: 10.7554/eLife.72081 Proporcionado por la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) Cita: Codificación eficiente: cómo el cerebro optimiza la asignación de recursos (2021, 7 de diciembre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https:/ /medicalxpress.com/news/2021-12-ficient-coding-brain-optimizes-allocation.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.