El trabajo, liderado por la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), podría ayudar a impulsar técnicas de inteligencia artificial como el aprendizaje por refuerzo
Mantener en memoria la propiedad de un estímulo durante varios segundos, para luego compararla con la de otro estímulo, es una tarea cognitiva que requiere esfuerzo. El grupo de Neurociencia Computacional de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha determinado que la dopamina, un neurotransmisor que actúa sobre varias estructuras cerebrales, juega un papel esencial en este proceso.
El equipo, liderado por el investigador Néstor Parga, analizó datos de la actividad de la dopamina registrada en monos (Macaca mulatta) para describir cómo estos aprenden a hacer dicha tarea, y cómo mantienen la motivación para realizarla a pesar del esfuerzo necesario.
Los registros del experimento fueron realizados por el laboratorio de Neurociencia Cognitiva de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), y los resultados han sido publicados recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
El trabajo tiene un impacto potencial en varios campos. Por ejemplo, podría ayudar a impulsar técnicas de inteligencia artificial como el aprendizaje por refuerzo. “Según nuestros resultados, esas técnicas podrían extenderse incluyendo la influencia de la dopamina en la motivación”, afirman los autores.
“Por otra parte —agregan— se sabe que desequilibrios de la dopamina pueden dar lugar a desórdenes cerebrales, que incluyen la enfermedad de Parkinson, la adicción y la esquizofrenia. Estos resultados también podrían contribuir a comprender el papel de la dopamina en dichos desórdenes”.
Sesgo de la percepción
En el experimento, los animales comparan las frecuencias de dos vibraciones táctiles, aplicadas sobre un dedo, separadas por tres segundos. La tarea requiere guardar en memoria de corto plazo la primera frecuencia, para determinar si es mayor que la segunda.
El animal comunica su decisión presionando uno de dos botones, recibiendo una recompensa (líquido) por cada comparación correcta. La experiencia se repite durante muchos ensayos y el mono es advertido del inicio de cada uno de ellos con un estímulo táctil.
“Analizamos el comportamiento de los animales estudiando el porcentaje de ensayos en que cada animal responde correctamente. Notablemente, dicha percepción se encuentra sesgada: cuando la primera frecuencia es baja, el mono la percibe como mayor que su valor real; mientras que cuando es alta la percibe como menor. Como la decisión del animal viene enteramente determinada por su percepción, el porcentaje de aciertos se verá afectado por el sesgo”, detallan los autores.
Motivación, dopamina y percepción
De acuerdo con el trabajo, la motivación del animal se cuantifica midiendo el tiempo de reacción de éste cada vez que se le comunica el comienzo de un nuevo ensayo. Para los científicos resulta interesante que una mayor motivación aumenta los porcentajes de acierto, posiblemente porque mejora la percepción.
Según esto, cuando el animal se encuentra fuertemente motivado para realizar la tarea, es más probable que decida correctamente y obtenga así más recompensas. Los autores demostraron cómo, de forma crucial, la actividad de la dopamina refleja también el sesgo interno en la percepción.
“Encontramos que la actividad de la dopamina está simultáneamente implicada en ambos aspectos del comportamiento. Primero confirmamos su papel en el aprendizaje: en cada ensayo, cuando se está ejecutando la tarea, hay estructuras cerebrales que se ocupan de predecir cuánta recompensa se obtendrá. Cuando la predicción es incorrecta, la dopamina pierde actividad, señalando así los errores”.
Ya al comienzo del ensayo el cerebro valora cuánta recompensa se obtendrá. El mantenimiento en la memoria de corto plazo de la primera vibración requiere realizar esfuerzo cognitivo, el incremento de la actividad de la dopamina depende del nivel de motivación del animal y esa información es enviada ala corteza prefrontal. Una vez que se han comparado las dos frecuencias la motivación deja de ser relevante y la dopamina no depende de ella /UAM
Una señal que indica la motivación
Luego, los investigadores comprobaron el papel de la dopamina en la motivación de los animales para realizar la tarea. “Sorprendentemente —describen–, la dopamina produce un pico de activación con una intensidad que es tanto mayor cuanto más rápida es la reacción del animal. En otros términos, la dopamina es una señal que indica la motivación para trabajar y conseguir la recompensa”.
Finalmente, los investigadores se preguntaron qué ocurre con la actividad de la dopamina mientras el animal usa la memoria de corto plazo. “Encontramos que esta señal no guarda información apreciable sobre la frecuencia y sólo indica motivación, siendo más alta cuanto más motivado se encuentra el animal”.
“Esto es radicalmente distinto de lo que ocurre en áreas de la corteza —concluyen—, dónde la frecuencia sí queda almacenada en la actividad de poblaciones de neuronas. Además, mientras se usa la memoria, la actividad de la dopamina se incrementa paulatinamente hasta casi el final de ese período, mostrando un aspecto de rampa ascendente, un resultado no observado anteriormente”.
Referencia bibliográfica:
Sarno, S., Beirán, M., Falcó-Roget, J., Diaz-deLeon, G., Rossi-Pool, R., Romo, R., & Parga, N. (2022). Dopamine firing plays a double role in coding reward prediction errors and signaling motivation in a working memory task. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119 (2) e2113311119. DOI 10.1073/pnas.2113311119.
