El llenguatge de les neurones15 i 16 de setembre de 2023, Barcelona

El cervell ha de gestionar de manera eficient un sistema de computació distribuïda que funciona per tot el cervell amb l’objectiu no tan sols de sobreviure, sinó també de desenvolupar-se. Per tant, això implica que, al llarg del temps, el cervell estructura de manera jeràrquica l’activitat cerebral autoorganitzada i dependent de l’estat, amb l’objectiu d’assegurar que la informació es processa i es transfereix de manera gairebé òptima amb el mínim cost metabòlic. En aquesta ponència es descriu una teoria del funcionament del cervell a partir d’una perspectiva senzilla i lògica que permet explicar els mecanismes computacionals en què es basa la gestió jeràrquica del cervell. Aquesta teoria s’inspira en la termodinàmica, que permet descriure molt bé les transformacions que experimenten els sistemes físics des d’un punt de vista estructural, incloent-hi les transformacions de la biologia de sistemes. La teoria de la «termodinàmica de la ment» combina valors jeràrquics espai-temps precisos amb modelitzacions del cervell causals i generatives, i aporta una explicació causal sòlida pel que fa als mecanismes cerebrals subjacents. Aquesta teoria innovadora ja s’ha començat a implementar i els resultats permeten entendre els canvis subjacents que tenen lloc en la gestió i l’organització jeràrquiques del cervell. En conclusió, aquests estudis obren un camí nou per a entendre com es trenca la jerarquia del cervell en les malalties neuropsiquiàtriques i per a trobar noves maneres per reequilibrar-la.

Les activitats que duem a terme cada dia, de manera quotidiana, donen forma a les connexions del nostre cervell. Obtenim significat i sentit dels objectes i els símbols, i els n’assignem. Un exemple molt interessant són els símbols numèrics que fan referència a conjunts arbitraris d’objectes. Aquestes quantitats petites o grans no simbòliques activen els dos hemisferis del cervell de maneres diferents i generen associacions espacials sistemàtiques de símbols numèrics.

Exposaré proves sobre aquesta associació i la importància que té en l’aritmètica mental. Entenem que el mecanisme d’associacions espacials és inherent a la creació de significat i sentit per als símbols, i que, per tant, la cognició és fonamentada, corporitzada i situada.

Referències

Felisatti, A.; Laubrock, J.; Shaki, S.; Fischer, M. H. (2020). «A biological foundation for spatial–numerical associations: The brain’s asymmetric frequency tuning». Annals of the New York Academy of Sciences, 1477, 44-53. DOI: 10.1111/nyas.14418.

Fischer, M. H.; Shaki, S. (2018). «Number concepts: abstract and embodied». Philosophical Transactions of the Royal Society B, 373, 20170125. Disponible en línia a: http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2017.0125.

Durant les últimes dècades, les noves eines per a estudiar el cervell dels humans i dels animals han permès que la neurociència fes grans avenços. Així, s’han generat diverses maneres de tractar el tema, diversos enfocaments i diversos àmbits d’estudi, de manera que ara mateix no disposem d’una teoria única sobre el funcionament del cervell i la relació entre el cervell i la conducta. Per tant, la noció de representació neuronal és un tema de debat constant i que genera controvèrsia en el món de la neurociència cognitiva. La bibliografia especialitzada proporciona enfocaments teòrics ben diversos, des de la neofrenologia, que assigna funcions cognitives concretes a les diferents unitats cerebrals, fins als enfocaments que deriven de la teoria del sistema dinàmic, que afirmen que l’activitat neuronal del cervell es genera a partir de les interaccions entre les neurones interconnectades, més que dependre únicament de les representacions neuronals fixes.

En aquesta xerrada parlarem de la representació neuronal des de la perspectiva corporitzada i, també, de la teoria de la simulació corporitzada en el marc de l’adaptació neuronal. Explicarem que ser, sentir, actuar i saber descriuen maneres diferents de relacionar-nos amb el món, i totes tenen un element constitutiu físic comú que correspon a sistemes dinàmics de funcionament del cervell-cos. L’arquitectura del cervell no entra en els límits dels termes i les categories mentals clàssics. Els termes i les categories mentals clàssics són descripcions verbals imprecises i poc definides de comportaments cognitius complexos que encara no som capaços de descriure del tot des del punt de vista dels mecanismes físics i neuronals de què deriven.

Un dels objectius més importants de la neurociència és entendre de quina manera el cervell fa servir la informació. Diversos trastorns mentals (com ara el trastorn de l’espectre autista, el trastorn per estrès posttraumàtic o l’Alzheimer) sembla que es generen per una alteració en el processament de la informació. Així, aquestes dades són fonamentals per a entendre el funcionament del cervell, així com per a crear tractaments nous per a aquests trastorns. Podem descriure la memòria com la capacitat de retenir al llarg del temps representacions internes adquirides mitjançant l’experiència i, també, com la capacitat de reconstruir-les més endavant. Sembla que les representacions internes es codifiquen mitjançant canvis físics duradors que tenen lloc al cervell, anomenats engrames.

La idea que la memòria està formada per empremtes físiques segurament va néixer a la Grècia clàssica, però no va ser fins a 1904 que Richard Semon va fer servir per primer cop el terme engrama. Tot i que fa temps que s’estudien, trobar un engrama específic és complicat, segurament perquè un engrama es codifica en diversos àmbits: l’epigenètic, el sinàptic i el de la plasticitat neuronal. Al meu laboratori treballem per entendre per què certes neurones s’afegeixen o s’inclouen en un engrama i per què les neurones que formen part d’un engrama canvien amb el temps o a partir de noves experiències. Exposaré dades sobre la feina que fem per entendre els records en ratolins.

La xerrada explora el concepte de representació neuronal des de la perspectiva de la deducció activa, una estructura normativa que permet entendre el funcionament del cervell. La conferència investiga els models generatius que fan servir els organismes vius per a minimitzar les discrepàncies entre les prediccions i les observacions (variació en l’energia lliure), donant importància als models generatius i a la dinàmica de creences. La ponència posa èmfasi en la idea que el cervell aprèn a fer servir models generatius per a navegar pel món de manera adaptativa, no (o no només) per a entendre’l. Cada organisme viu disposa d’un conjunt de models generatius diferents, que inclouen des dels que intervenen en els cicles acció-percepció fins als que possibiliten els processos de planificació i imaginació; des de models «explícits» que fan servir variables per a deduir elements externs com ara objectes, cares o persones, fins a models «orientats a l’acció» que prioritzen predir els possibles resultats d’una acció, deixant de banda la codificació d’elements externs. Així, la xerrada exposa la relació dels models generatius i la dinàmica de creences amb la representació neuronal, i explica que les diferents classes de models generatius permeten entendre el nínxol ecològic d’un organisme, així com les capacitats cognitives que té. La ponència es clou amb preguntes obertes sobre l’evolució dels models generatius i el desenvolupament d’habilitats cognitives avançades, així com sobre la transició gradual de les representacions neuronals «pragmàtiques» cap a les «independents».

Com representem els objectes i els conceptes en la nostra ment i en el nostre cervell? Fins fa poc es considerava que aquesta pregunta era una bajanada. Fins i tot es defensava que les representacions, en un sentit estricte, no existeixen, sinó que els patrons dinàmics que genera l’activitat cerebral expliquen les «imatges mentals» que tenim del món. Però hi ha científics que afirmen que existeixen «nodes» de representació únics per a cada objecte, concepte o símbol representatiu, i també per a les seves característiques perceptives i conceptuals.

Com ho podem esbrinar? La meva proposta és fer proves experimentals. Crear xarxes d’elements neuronals, connectar-les de la mateixa manera que es connecten els circuits i les àrees corticals locals, i, a gran escala, el connectoma humà, implementar-hi mecanismes de regulació i control, i, sobretot, aplicar procediments d’aprenentatge reals. Podem analitzar aquesta mena de xarxes neuronals basades en l’estructura del cervell com si es tractés del cervell dels infants quan entren en contacte amb objectes que són semblants i, després, amb paraules i, més endavant, amb fragments de frases en un context determinat. Aleshores, podem preguntar què passa en les estructures construïdes a imatge i semblança del cervell quan experimenten el món i quan aprenen símbols.

Un resultat d’aquest treball és, òbviament, que la resposta depèn en gran manera de les característiques del cervell que s’implementin. Xarxes amb enllaços seqüencials entre les àrees, però sense connexions internes, donen lloc a patrons dinàmics completament distribuïts. Si hi afegim enllaços recíprocs entre les diferents àrees, connexions excitadores internes i inhibició local, es forma un circuit. Un circuit està format per diverses neurones i forma part de diverses àrees. I, el més important, funciona com un bloc i manté l’activitat reverberant durant un temps.

La conferència farà referència als resultats que s’han obtingut en estudis recents que simulen —i segurament expliquen des d’un punt de vista neurobiològic— la formació espontània de conceptes en infants abans que desenvolupin el llenguatge. Parlarem de l’aprenentatge dels símbols, que se sol donar a partir de finals del primer any de vida, juntament amb la creació ràpida de mapes de símbols i significats. A partir dels experiments que simulen els processos d’aprenentatge, ens centrarem en símbols diferents, així com en les diferències entre expressions representatives i entre conceptes i símbols concrets i abstractes.