Neurociencia Computacional · Clase 5

Aprendizaje y olvido en redes neuronales

Santiago Herce CastañónCentro de Ciencias de la Complejidad (C3), UNAM
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Las gráficas con controles son simulaciones y animaciones en vivo.

Repaso de la clase anterior

CS, US, CR · adquisición, extinción, recuperación espontánea
Condicionamiento clásico
Temporal difference learning y dopamina
Protocolos de extinción
Inferencia Bayesiana de las causas
Causas latentes
Restaurante Chino y Buffet Indio: ¿cuántas situaciones hay?
CRP e IBP
La pregunta de hoy
Si aprender es cambiar conexiones, ¿cómo guardamos lo nuevo sin borrar lo viejo?

¿Cómo guarda el cerebro lo nuevo sin borrar lo viejo? mapa de la clase

Parte I

Qué es una memoria

¿Dónde está guardada y cómo se escribe?
  • Tipos de memoria, amnesia, consolidación
  • Reconocer y recuperar
  • LTP y LTD: la regla de Hebb
  • Borrar memorias con luz
  • Engramas distribuidos: la red de Hopfield
Parte II

El problema

Si aprender cambia los pesos, ¿aprender es olvidar?
  • Capacidad: ¿cuántas memorias caben y qué cuesta cada una?
  • Interferencia catastrófica
Parte III

La solución del cerebro

Dos sistemas, uno rápido y otro lento
  • Place cells, decodificación y replay
  • Deriva representacional
  • Hipocampo + neocorteza: Káli & Dayan
  • ¿Qué conviene consolidar? Go-CLS (Sun et al.)
Parte I · Qué es una memoria

¿Qué es la memoria?

  • ¿Qué tipos de memoria conocen?
  • ¿Qué es la amnesia?
  • Consolidación:
    • ¿Qué comieron hoy?
    • ¿Qué comieron hace 251 días?
    • ¿Qué comieron en su último cumpleaños?
  • Hipocampo y corteza medial temporal
Un objeto nuevo: un Dax
Éste es un Dax.
Henry Molaison
H.M. (Henry Molaison): sin hipocampo, sin memorias nuevas; las viejas, intactas.
Hipocampo y septum medial
Parte I · Qué es una memoria

¿Qué otros procesos están asociados a la memoria?

  • Reconocimiento: saber que un patrón sensorial ya se vio (el hipocampo “empata” la actividad de la corteza con algo guardado)
  • Recuperación: completar un patrón sensorial a partir de una pista parcial
  • Tipos de memoria:
    • No declarativa (hábitos, destrezas, condicionamiento)
    • Declarativa: episódica (qué, dónde, cuándo) y semántica (hechos, conceptos)
  • El hipocampo puede guardar información inmediatamente, con una sola presentación
  • Pregunta que casi nunca se hace: ¿cuántas memorias caben en N neuronas?
Martillo
¿Cómo se llama esto?
Dax
¿Y esto?
Parte I · Qué es una memoria

Reconocimiento y recuperación

  • ¿Reconocen alguno de estos objetos?
  • ¿Cómo se llama?
  • Los “errores” de generalización son necesarios: nada vuelve a verse igual nunca
  • Reconocer = encontrar la memoria guardada más parecida; recuperar = completar el resto del patrón desde ella
Dax
Éste es un Dax.
↓
Dax de otro color
↓
Dax de otra textura
↓
Dax de otra forma
color
textura
forma
Parte I · Qué es una memoria

Bases fisiológicas de la memoria LTP y LTD: potenciación y depresión de sinapsis

Neurona presináptica y postsinápticaDos modos de formación de sinapsis por crecimiento de espinas
Anatomía de una neurona
Una memoria es, físicamente, un cambio en la fuerza de las sinapsis: más receptores, espinas más grandes, nuevas sinapsis (LTP) o lo contrario (LTD).
Parte I · Qué es una memoria

Plasticidad sináptica: LTP y LTD

Maquinaria molecular de la espina dendrítica
LTP y LTD cambian el tamaño de la espina y el número de receptores AMPANeurona hipocampal con GFP
Holtmaat & Svoboda (2009).
Parte I · Qué es una memoria

“Las neuronas que disparan juntas se conectan”: Hebb y STDP interactivo

Δw = η · f(Δt),  Δt = tpost − tpre
  • Una sinapsis pre → post con peso w. Cada vez que las dos disparan cerca en el tiempo, w cambia según la curva f(Δt) (Bi & Poo, 1998)
  • Pre antes que post (Δt > 0): la entrada pudo causar el disparo → la sinapsis se refuerza (LTP, azul)
  • Post antes que pre (Δt < 0): la entrada llegó tarde, no fue causa → se debilita (LTD, rojo)
  • Mira la animación: 30 pares pre→post suben w; luego 30 pares post→pre lo bajan. El punto sobre la curva marca el Δt en uso
Prueba
Bi, G.-Q., & Poo, M.-M. (1998). Synaptic modifications in cultured hippocampal neurons. J. Neurosci., 18, 10464–10472.
Parte I · Qué es una memoria

Borrar una memoria con luz (1): la herramienta Hayashi-Takagi et al. (2015)

  • La idea: si una memoria son espinas dendríticas que crecieron durante el aprendizaje, borrar esas espinas debería borrar esa memoria y nada más
  • Paso 1 — marcar: una proteína (AS-PaRac1) se expresa solo en las espinas que están siendo potenciadas, y lleva una etiqueta fluorescente. Al terminar el entrenamiento, las espinas “nuevas” de ese aprendizaje brillan
  • Paso 2 — borrar: PaRac1 es una versión de Rac1 (que encoge espinas) activada por luz azul. Iluminar la corteza encoge solo las espinas marcadas; las demás quedan intactas
  • Control: en espinas con AS(−) la luz no hace nada (el volumen no cambia)
Herramienta optogenética para encoger espinas (PaRac1)Encogimiento selectivo de espinas con PaRac1
Hayashi-Takagi, A., et al. (2015). Labelling and optical erasure of synaptic memory traces in the motor cortex. Nature, 525, 333–338.
Parte I · Qué es una memoria

Borrar una memoria con luz (2): el experimento

  • La tarea: el ratón aprende a caminar sobre una barra giratoria (rotarod). Antes tarda ~90 s en cruzar; después, ~9 s
  • Durante el aprendizaje aparecen espinas nuevas en la corteza motora, y quedan marcadas (azul, entre todas las espinas en rojo)
  • Luz: encogen solo las espinas marcadas. El ratón vuelve a tardar ~20 s: la destreza se perdió, aunque camina y ve perfectamente
  • Controles: si se iluminan espinas marcadas por otra tarea, la destreza no se afecta; si se marca sin iluminar, tampoco
  • Conclusión: la memoria de esa destreza está en ese conjunto de sinapsis potenciadas: un engrama físico, localizable y borrable
Espinas marcadas: todas vs. las formadas tras el aprendizajeDesempeño del ratón antes del entrenamiento, después, y tras borrar las espinas nuevas
Hayashi-Takagi, A., et al. (2015). Nature, 525, 333–338.
Parte I · Qué es una memoria

Engramas: memorias distribuidas

  • Memorias distribuidas en:
    • Conexiones entre neuronas
    • Patrones de actividad neuronal
  • Ninguna neurona “es” la memoria; el engrama es el conjunto de sinapsis que, juntas, reconstruyen el patrón
  • La misma red guarda muchos engramas superpuestos
Red con capa ocultaEngrama: patrones de activación que se propagan
Parte I · Qué es una memoria

Cómo una red guarda y recupera un patrón: la red de Hopfield animación

  • Red: N neuronas binarias (activa / inactiva), todas conectadas con todas por pesos simétricos wij
  • Guardar (Hebb): por cada par, wij += ξiξj: +1 si las dos estaban igual, −1 si no. Varias memorias se suman en los mismos pesos
  • Recuperar: dada una pista (patrón dañado), cada neurona mira a las demás: hi = Σj wijsj; si hi > 0 se activa, si no se apaga
  • Cada actualización baja la energía; el estado rueda hasta el fondo del valle más cercano: la memoria guardada es un atractor
Hopfield, J. J. (1982). Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities. PNAS, 79, 2554–2558.
Parte I · Qué es una memoria

Un engrama que se puede ver: 100 neuronas, varias memorias interactivo

  • Qué vas a ver: lo mismo que en la animación, pero con 100 neuronas (cuadrícula 10×10; azul = activa) y varias memorias guardadas en los mismos pesos
  • Pista: una memoria con ruido (neuronas invertidas) o con la mitad borrada (gris = desconocido)
  • Recuperar: las neuronas se actualizan una por una y la cuadrícula “cae” a la memoria más parecida
  • Traslape (barras): qué tanto se parece el estado actual a cada memoria. Antes de recuperar, la barra más alta es el reconocimiento; al final, 1.0 es la recuperación
Prueba
Parte II · El problema

¿Cuántas memorias caben en N neuronas? interactivo

  • La cuenta: al recuperar la memoria 1, lo que recibe cada neurona es hi = señal + ruido. La señal vale 1 (viene de la memoria 1). El ruido es la suma de las otras K−1 memorias, que tiran en direcciones al azar: una campana de ancho √(K/N)
  • Error: la neurona se equivoca cuando el ruido supera a la señal (la cola roja que cruza el cero)
  • La catástrofe: cada neurona equivocada aumenta el ruido de las demás. Por debajo de K/N ≈ 0.14 los pocos errores se corrigen solos; por encima, se multiplican y la red cae en un estado espurio
  • Mueve K/N y mira cómo la campana se ensancha; “Medir” comprueba la predicción en una red de 100 neuronas
Prueba
Amit, D. J., Gutfreund, H., & Sompolinsky, H. (1985). Storing infinite numbers of patterns in a spin-glass model of neural networks. Phys. Rev. Lett., 55, 1530.
Parte II · El problema

Cada memoria nueva tiene un costo

  • Para las memorias que ya estaban: cada memoria nueva es ruido para todas las demás. Las cuencas de atracción se encogen → hace falta una pista más limpia para recuperar, y la recuperación tarda más barridos
  • Para la red: cada memoria toca los N² pesos. No hay “cajones”: todo se guarda encima de todo. Por eso la capacidad crece con N, no con el número de sinapsis disponibles “vacías”
  • Mantenimiento: sostener una sinapsis potenciada cuesta energía y síntesis de proteínas continua; las espinas que no se usan se podan. Guardar no es gratis ni permanente
  • Dos remedios que usa el cerebro: (1) separar patrones antes de guardarlos (giro dentado: pocas neuronas activas, patrones casi ortogonales → muchas más memorias caben); (2) no guardar todo en el mismo sitio: un almacén rápido de capacidad finita y otro lento que extrae lo que se repite. De eso trata el resto de la clase
Pocas memorias: cuencas amplias memoria 1memoria 2 Muchas memorias: cuencas estrechas y valles espurios mezclas (espurios)una pista con ruido cae en el valle equivocado
Parte II · El problema

Olvido catastrófico interferencia catastrófica, McCloskey & Cohen (1989)

  • Si para aprender hay que cambiar los pesos…
  • …¿aprender significa también cambiar lo aprendido? ¿Aprender = olvidar?
  • En una red con pesos compartidos, entrenar la tarea B mueve los mismos pesos que codificaban la tarea A
  • La solución estadística: intercalar A y B. Pero la experiencia no llega intercalada; llega en orden
Red con capa ocultaEngramas superpuestos
McCloskey, M., & Cohen, N. J. (1989). Catastrophic interference in connectionist networks. Psychology of Learning and Motivation, 24, 109–165.
Parte II · El problema

Interferencia catastrófica: aprender B borra A animación

  • Qué vas a ver: una red simple aprende la tarea A hasta acertar todo. Luego aprende la tarea B sin volver a ver A. Mira qué le pasa a la exactitud en A (azul)
  • Por qué pasa: cada corrección para B mueve los mismos pesos que codificaban A. No hay un “borrador”: basta con seguir aprendiendo
  • El remedio: repasar. Con una fracción r de ensayos de A intercalados durante B, la red conserva las dos (a cambio, B tarda más). Esto es exactamente lo que hará el hipocampo con el replay
Prueba
Parte III · La solución del cerebro

“Place cells” en el hipocampo: del desorden al mapa

  • Registramos muchas neuronas de CA1 mientras la rata corre. Tal como salen del electrodo, los disparos parecen un desorden
  • Pero cada neurona dispara en un lugar del ambiente: su campo de lugar
  • Si usamos ese conocimiento (ordenarlas por la posición de su campo), el desorden se vuelve una secuencia que recorre la pista
  • Y al revés: conociendo los campos, la actividad del conjunto nos dice dónde está el animal: podemos decodificar la posición (clase 3)
  • Dentro de cada ciclo theta (~8 Hz) la secuencia se repite comprimida: “theta sequences”
Secuencias de place cells durante la exploración, preplay y replay
Drieu & Zugaro (2019). Front. Cell. Neurosci., 13, 232.
Parte III · La solución del cerebro

Leer la posición en los disparos: decodificador Bayesiano y replay interactivo

  • Modelo: cada célula dispara (Poisson) con tasa λi(x) = base + pico·Gaussiana. El decodificador (clase 3) usa los disparos de los últimos 250 ms: P(x | n) ∝ Πi Poisson(ni | λi(x)·Δt)
  • Color: en cada columna, rojo = posición más probable, blanco = 0 (normalizado al máximo). Muestra dónde cree estar el decodificador
  • ¿Es bueno?: el error |x̂ − x| (promedio en el resumen). Al azar ≈ 67 cm; unos pocos cm = el código funciona
  • Las células llegan desordenadas → “Ordenar”. “Otras células” cambia qué neuronas registramos: con huecos en la pista el decodificador empeora ahí
Prueba
Parte III · La solución del cerebro

Replay ¿reconocimiento y recuperación de memorias espontáneos?

  • Ocurre en periodos de descanso y durante el sueño de ondas lentas
  • El tiempo del replay está comprimido (segundos de recorrido en ~100 ms)
  • Frecuentemente la secuencia está invertida (reverse replay), sobre todo justo después de una recompensa
  • También hay preplay: secuencias de un recorrido que todavía no ha ocurrido
  • Es exactamente lo que acabamos de hacer con el decodificador: leer una trayectoria a partir de los disparos, sin que el animal se mueva
Replay hipocampal: trayectoria decodificada durante un ripple
Pfeiffer, B. E. (2020). The content of hippocampal “replay”. Hippocampus, 30(1), 6–18.
Parte III · La solución del cerebro

Deriva representacional representational drift

  • Siempre encontramos place cells…
  • …pero no son las mismas de un día a otro: cada día, parte de las células cambia o pierde su campo
  • ¿Está relacionado con el aprendizaje continuo (la red sigue cambiando pesos)?
  • ¿O con algún otro proceso? El mapa en conjunto sigue siendo legible aunque las células individuales roten
Dinámica a largo plazo de los códigos de lugar en CA1 (Ziv et al. 2013)
Ziv, Y., et al. (2013). Long-term dynamics of CA1 hippocampal place codes. Nat. Neurosci., 16, 264–266.
Parte III · La solución del cerebro

Deriva: la posición siempre se puede decodificar, pero el código cambia interactivo

  • Modelo: 60 células; cada día una fracción p pierde su campo o lo cambia de lugar
  • Izquierda: las mismas células el día 1 y el día j, ordenadas por sus campos de uno de los dos días. Ordenadas por el día 1, el día j se ve revuelto; ordenadas por el día j, aparece su propia diagonal. Los dos días tienen un mapa; lo que cambió es el código
  • Matriz: decodificador entrenado el día i, probado el día j. La diagonal siempre funciona; lejos de ella, el desempeño cae en ambas direcciones
  • Curva: desempeño promedio vs. |Δ días|. Moraleja: la memoria es la relación entre muchas células y un lector que se actualiza
Prueba
Parte III · La solución del cerebro

Un modelo simple de memoria: la idea Káli & Dayan (2004)

Almacenamiento Acceso Decodificación Memoria episódica Memoria semántica Memoria declarativa Hipocampo y cortezas adyacentes(corteza medial temporal, MTC) cambios representacionales
  • El problema: la corteza aprende lento (muchas repeticiones) y sufre interferencia; pero un episodio ocurre una sola vez. ¿Cómo lo guardamos?
  • La analogía: el hipocampo es una libreta donde apuntamos cada episodio de una vez; la corteza es el libro de texto que se reescribe lentamente a partir de lo apuntado
  • Replay = releer la libreta por la noche para ir pasando lo apuntado al libro, intercalado con todo lo demás (evita la interferencia catastrófica)
  • Como las representaciones corticales cambian con el tiempo (deriva), la libreta debe seguir “hablando el mismo idioma” que el libro: también se actualiza
Káli, S., & Dayan, P. (2004). Off-line replay maintains declarative memories in a model of hippocampal-neocortical interactions. Nat. Neurosci., 7, 286–294.
Parte III · La solución del cerebro

Káli & Dayan: la arquitectura, pieza por pieza

  • Áreas sensoriales A, B, C (abajo): tres “modalidades”. Un episodio es un patrón de actividad en las tres a la vez (qué vi, qué oí, dónde)
  • MTNC (capa y): la neocorteza medial temporal, conectada con las tres áreas por pesos W que aprenden por Hebb, lentamente. Es el “libro”: guarda asociaciones entre áreas
  • Hipocampo (arriba): guarda el patrón de MTNC de cada episodio inmediatamente, como un atractor (nuestra red de Hopfield). Es la “libreta”
  • Dos formas de recordar:
    • De abajo a arriba: llega una pista parcial (solo A) y la red completa B y C a través de MTNC
    • De arriba a abajo: el hipocampo reactiva un patrón de MTNC y este reconstruye A, B y C: eso es el replay
Arquitectura del modelo: áreas A, B, C, MTNC e hipocampo
Káli & Dayan (2004). Nat. Neurosci., 7, 286–294.
Parte III · La solución del cerebro

Káli & Dayan: qué ve la corteza cada día

  • Episodios: 10 patrones posibles por área → 1 000 combinaciones; cada episodio nuevo es una de ellas, al azar. Son arbitrarios: ninguna regla los predice
  • Regularidades semánticas: además, los patrones de A y C vienen acoplados (si en A sale el 3, en C sale el 3): 100 parejas que se repiten una y otra vez. Eso sí tiene estructura
  • Lo que ve la corteza, por cada 1 000 presentaciones: 100 vienen del mundo (áreas sensoriales) y 900 del hipocampo reactivando episodios guardados
  • Medida: cada cierto tiempo se da una pista parcial de un episodio y se pregunta si la red recupera el patrón completo: “porcentaje recordado”
Arquitectura del modelo
900 replay
100 exp.
900 replay
100 exp.
900 replay
100 exp.

El 90 % de lo que la corteza “ve” no es el mundo: es el hipocampo contándole el mundo de nuevo.

Káli & Dayan (2004). Nat. Neurosci., 7, 286–294.
Parte III · La solución del cerebro

Káli & Dayan: cómo leer las curvas

  • Eje x: edad del episodio (en presentaciones). Eje y: cuántos episodios de esa edad se recuperan desde una pista parcial
  • (a) Episodios, con hipocampo (cruces): recién ocurridos se recuerdan al ~90 %; después el recuerdo decae conforme nuevos episodios interfieren
  • (a) Sin hipocampo (círculos): una sola presentación no basta; el recuerdo arranca bajo. A la larga las curvas convergen: lo que queda es lo que la corteza consolidó
  • (b) Regularidades semánticas: con hipocampo se aprenden rápido y se quedan; sin hipocampo también, solo que mucho más despacio. Lo que se repite no necesita libreta
  • Es el perfil de H.M.: amnesia anterógrada (sin episodios nuevos), memoria semántica que aún puede crecer lentamente
Porcentaje recordado con y sin hipocampo
Káli & Dayan (2004), Fig. 2: (a) memorias episódicas, (b) semánticas.
Parte III · La solución del cerebro

Consolidación: la libreta le dicta al libro interactivo

  • Para qué sirve: reproducir la Fig. 2a de Káli & Dayan con los ingredientes mínimos y ver qué papel juega cada uno
  • Corteza: la red de la interferencia (regla delta, lenta). Hipocampo: una libreta que guarda cada episodio de golpe pero solo los últimos M. Replay: cada paso reproduce R episodios de la libreta a la corteza
  • Recordar = el hipocampo todavía lo tiene (zona sombreada) o la corteza reproduce bien sus 6 bits (azar ≈ 1.5 %)
  • Compara los presets: con/sin hipocampo, hipocampo sin replay, mucho replay
Prueba
Parte III · La solución del cerebro

La importancia de las reactivaciones (replay)

  • Conforme se aprenden cosas, se cambian los pesos de las conexiones corticales
  • Esos cambios interfieren con lo aprendido antes (la deriva representacional es su huella)
  • Para que las memorias episódicas puedan seguir siendo elicitadas desde el hipocampo, éste debe actualizarse y mantener registro del código cortical actual
  • El replay hace dos cosas a la vez: le enseña a la corteza, y re-alinea al hipocampo con una corteza que cambia
  • Pregunta pendiente: ¿conviene consolidar todo? Eso es lo que resuelve el siguiente modelo
Arquitectura del modelo
Káli & Dayan (2004). Nat. Neurosci., 7, 286–294.
Parte III · La solución del cerebro

Veinte años después: ¿qué conviene consolidar? Sun, Advani, Spruston, Saxe & Fitzgerald (2023)

  • Káli & Dayan (y la teoría CLS clásica) asumen que la meta es pasar todo de la libreta al libro. Sun et al. preguntan: ¿y si la meta del libro es generalizar, es decir, predecir bien experiencias nuevas?
  • Mismo esquema, nombres nuevos:
    • Maestro (teacher) = el ambiente: produce pares entrada → salida con una parte predecible y una parte de ruido. Su parámetro clave es la relación señal/ruido (SNR)
    • Estudiante (student) = la neocorteza: aprende por gradiente, lentamente
    • Libreta (notebook) = el hipocampo: una red de Hopfield dispersa que guarda cada ejemplo de golpe y puede reactivarlo
  • Dos errores: de memoria (Em: sobre los ejemplos vividos) y de generalización (Eg: sobre ejemplos nuevos del mismo maestro)
  • Consolidar = el estudiante entrena con las reactivaciones de la libreta. La pregunta: ¿hasta cuándo?
Sun et al. 2023: maestro, estudiante y libreta
Sun et al. (2023), Fig. 1: maestro–estudiante–libreta.
Sun, W., Advani, M., Spruston, N., Saxe, A., & Fitzgerald, J. E. (2023). Organizing memories for generalization in complementary learning systems. Nat. Neurosci., 26, 1438–1448.
Parte III · La solución del cerebro

Maestro, libreta y estudiante en acción animación

  • 1 · Vigilia: el maestro produce un ejemplo (entrada x, salida y = señal + ruido). La libreta lo graba de golpe como un patrón disperso; el estudiante apenas lo ve
  • 2 · Sueño: la libreta reactiva sus patrones al azar (completa cada uno desde una pista) y el estudiante entrena con ellos. Repite muchas veces
  • 3 · Las curvas: Em (qué tan bien reproduce los ejemplos vividos) y Eg (qué tan bien predice ejemplos nuevos). Con ambiente predecible las dos bajan juntas. Con ambiente ruidoso, Em sigue bajando pero Eg toca fondo y vuelve a subir: el estudiante está memorizando ruido
  • 4 · Go-CLS: detener el replay en el mínimo de Eg. Lo que no se consolidó se queda en la libreta
Sun et al. (2023). Nat. Neurosci., 26, 1438–1448.
Parte III · La solución del cerebro

Go-CLS: qué cambia respecto a Káli & Dayan

  • Lección 1 — consolidar es aprender a predecir, no copiar. El libro no es una copia lenta de la libreta: es un modelo del mundo. Su éxito se mide en experiencias nuevas (Eg), no en las vividas (Em)
  • Lección 2 — lo impredecible no se puede generalizar. La parte de ruido de una experiencia (dónde dejé las llaves hoy) no tiene regla. Si la corteza la memoriza, se sobreajusta y predice peor lo nuevo
  • Lección 3 — por eso hay que saber parar. La cantidad óptima de replay depende de cuán predecible es el ambiente (SNR): mucho para lo regular, poco para lo arbitrario. Es early stopping con el hipocampo como regulador
  • Lección 4 — algunas memorias deben quedarse en la libreta para siempre. Un recuerdo arbitrario se guarda completo en el hipocampo y nunca se consolida del todo: dependencia hipocampal permanente

Káli & Dayan → Go-CLS, en una tabla

Káli & Dayan 2004Sun et al. 2023 metamantener los episodios recuperablesminimizar el error de generalización qué se replayatodo, uniformementeregulado por predictibilidad (SNR) cuántoindefinidamentehasta el mínimo de Eg memorias arbitrariasse consolidan (y se degradan)se quedan en el hipocampo amnesia retrógradagraduadagraduada o plana, según la memoria
Sun et al. (2023). Nat. Neurosci., 26, 1438–1448.
Parte III · La solución del cerebro

Go-CLS: qué predice y qué explica

  • Amnesia retrógrada: para memorias con regularidad, graduada (las viejas sobreviven a la lesión porque ya pasaron al libro); para memorias arbitrarias, plana: se pierden todas, viejas y nuevas. El laberinto de Morris (posiciones arbitrarias) depende del hipocampo para siempre
  • Generalizadores vs. discriminadores: animales que generalizan el miedo entre contextos dependen menos del hipocampo para la memoria original. Lo que cambia entre individuos es cuánta predictibilidad extraen
  • Conectividad en fMRI (Sweegers et al., 2014): asociaciones cara–lugar con regla aumentan la conexión corteza–corteza; las arbitrarias la disminuyen
  • Lo que falta: un “supervisor” que estime la predictibilidad y regule cuánto replay recibe cada memoria. Candidato natural: el error de predicción (clase 4)
Recuerdo tras una lesión hipocampal edad de la memoria al lesionar → recuerdo predecible: graduada arbitraria: plana sin lesión
Sun et al. (2023). Nat. Neurosci., 26, 1438–1448. Sweegers et al. (2014). J. Neurosci., 34, 7936–7944.

Síntesis: aprender sin olvidar

  • Una memoria es un cambio de pesos (LTP/LTD, espinas): se puede ver, marcar y borrar con luz
  • Los engramas son distribuidos: patrones que una red recurrente completa desde una pista (reconocer ≈ traslape; recuperar ≈ caer al atractor)
  • Hay un límite y un costo: K ≈ 0.14 N en Hopfield; cada memoria nueva es ruido para las demás, y aprender B interfiere con A en cualquier red de pesos compartidos
  • La solución es arquitectónica: un sistema rápido de alta capacidad por poco tiempo (hipocampo) que repite, intercalado y comprimido, a un sistema lento que generaliza (corteza)
  • Y selectiva: conviene consolidar lo predecible; lo arbitrario se queda en la libreta
  • Nada queda quieto: las representaciones derivan, y el replay mantiene alineados a los dos sistemas
experienciaepisodios en orden Hipocampo (libreta)rápido · un solo ensayocapacidad finita · patrones separados Neocorteza (libro)lenta · muchas repeticionesgeneraliza · interfiere replay regulado recuerdoy conducta

Referencias

Siguiente clase: ¿mapas espaciales o algo más? Mapas cognitivos

  • Place cells: posición (y dirección). Grid cells: una retícula hexagonal que cubre el ambiente. Head direction y border cells
  • ¿Un GPS… o un sistema de coordenadas para cualquier cosa que tenga estructura?
  • Mapas cognitivos de espacios abstractos: aves que cambian de cuello y de patas
Grid cells y place cellsGrid cells y mapasMapas cognitivos de espacios abstractos

Clase 5 · Índice