Encuentra la diferencia: Cambios cerebrales que permiten el aprendizaje de la discriminación visual fina

Nuestra percepción visual del mundo a menudo se considera relativamente estable. Sin embargo, como todas nuestras funciones cognitivas, el procesamiento visual está moldeado por nuestras experiencias. Durante el desarrollo y la edad adulta, el aprendizaje puede alterar la percepción visual. Por ejemplo, la discriminación visual mejorada de patrones similares es una habilidad aprendida crítica para la lectura. En un nuevo estudio de investigación publicado en biología actual, Los científicos ahora han descubierto los cambios neuronales que ocurren durante el aprendizaje para mejorar la discriminación de imágenes visuales estrechamente relacionadas.

Este estudio, dirigido por el primer autor, el Dr. Joseph Schumacher, y el autor principal, el Dr. David Fitzpatrick del Instituto de Neurociencia Max Planck de Florida, establece un enfoque transformador para estudiar el aprendizaje perceptivo en el cerebro. Los investigadores tomaron imágenes de la actividad de un gran número de neuronas individuales durante días para rastrear los cambios que ocurren mientras se aprende una tarea de discriminación visual, realizando estos experimentos en un nuevo modelo animal, la musaraña de árbol.

La musaraña arbórea es un pequeño mamífero con propiedades visuales similares a las de los humanos, incluido un alto grado de agudeza visual y una disposición espacial ordenada similar de las neuronas del cerebro que responden visualmente. Como muestran los investigadores, estos animales también pueden aprender tareas de comportamiento complejas, lo que los hace ideales para comprender cómo la experiencia da forma a la percepción visual. En este estudio, las musarañas de los árboles fueron entrenadas para discriminar entre imágenes visuales muy similares: líneas negras idénticas que diferían solo en un pequeño cambio de orientación (22,5 grados). En la tarea, la presentación de las líneas en una orientación fue recompensada con una gota de jugo. Con el paso de los días, las musarañas arborícolas aprendieron a discriminar entre las dos imágenes visuales similares, lamiendo solo en respuesta a las líneas en la orientación con recompensa y evitando lamer las líneas en la orientación sin recompensa.

Los científicos combinaron esta tarea conductual con mediciones de actividad neuronal en V1, un área del cerebro esencial para el procesamiento visual. Las neuronas en esta área se activan por características específicas de entrada visual, como la orientación de los bordes claros y oscuros. Las neuronas individuales muestran «preferencia» por orientaciones de borde específicas, respondiendo con la mayor actividad a estas orientaciones y con una actividad progresivamente menor o sin actividad a los bordes orientados más lejos de la orientación preferida. De esta forma, una escena visual que tiene bordes con diferentes orientaciones activa subconjuntos particulares de neuronas para generar un patrón de actividad neuronal que codifica la información necesaria para la percepción visual.

Schumacher y sus colegas encontraron que el aprendizaje de la discriminación visual en la musaraña arbórea iba acompañado de una mejora de la diferencia en los patrones de actividad neuronal evocados por las dos imágenes visuales. Esto se debió principalmente a un aumento en la cantidad de actividad neuronal en respuesta a la presentación de la orientación del estímulo recompensado en relación con la orientación no recompensada. Pero esto no fue solo un aumento general en las respuestas neuronales al estímulo recompensado. Cuando los científicos examinaron los cambios más de cerca, encontraron que esto estaba mediado por cambios en la actividad de un subconjunto notablemente específico de neuronas: aquellas cuya preferencia de orientación era óptima para distinguir la orientación del estímulo recompensado del estímulo no recompensado.

Para comprender completamente el efecto del aprendizaje en la percepción visual, los autores luego investigaron si los cambios en la actividad neuronal que mejoraron la discriminación visual persistieron fuera del contexto de la tarea aprendida. Curiosamente, encontraron que los cambios neuronales no solo persistieron sino que fueron acompañados por cambios en las habilidades de la musaraña arborícola entrenada para realizar otras discriminaciones. Esto incluyó tanto mejoras para algunas orientaciones de estímulo como deficiencias para otras: cambios de comportamiento que eran exactamente lo que se esperaría dados los cambios en las respuestas de este subconjunto específico de neuronas.

«Este trabajo demuestra cambios específicos impulsados ​​por la experiencia en la actividad de las neuronas que afectan la percepción de los estímulos visuales, mejorando las discriminaciones relevantes para el desempeño de tareas a expensas de otras discriminaciones relacionadas», explica el primer autor Joe Schumacher. Ahora, el laboratorio se ha fijado en combinar este enfoque con nuevas tecnologías para desbloquear la secuencia y los cambios que ocurren en múltiples tipos de neuronas para mediar en el aprendizaje perceptivo. Al investigar estas preguntas en el sistema visual de la musaraña arborícola, los científicos del laboratorio de Fitzpatrick están descubriendo nuevos conocimientos fundamentales sobre el aprendizaje perceptivo que podrían afectar nuestra comprensión de una amplia gama de trastornos del aprendizaje.