Los resultados de una investigación realizada por neurocientíficos de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), muestran que, al igual que el desarrollo hasta la edad adulta, el desarrollo del sistema visual depende de observar el entorno y no solo de la enseñanza explícita.

El estudio es el primero en demostrar experimentalmente la importancia de la experiencia visual pasiva para la maduración y el funcionamiento adecuado de algunas neuronas clave involucradas en el proceso de visión.

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Mecanismos de aprendizaje

La investigación, que representa un paso fundamental hacia la comprensión de los mecanismos de aprendizaje durante el desarrollo, tiene implicaciones clínicas potenciales para el estudio de nuevas terapias de rehabilitación visual e implicaciones tecnológicas, dado que podrían conducir a una mejora de los algoritmos de aprendizaje empleados por los sistemas de visión artificial.

Desde las primeras etapas de la gestación, el sistema visual está sujeto a estímulos continuos que se vuelven cada vez más intensos y estructurados después del nacimiento, los cuales, según algunas teorías, están en el centro de mecanismos de aprendizaje que son fundamentales para el desarrollo de la visión.

Los resultados del estudio sugieren que los sistemas visuales artificiales deberían complementarse con algoritmos de aprendizaje no supervisado que imiten los procesos que funcionan en el cerebro.

Como explica el doctor Davide Zoccolan, director del Laboratorio de Neurociencia Visual de la SISSA y autor principal del estudio:

“Hay dos formas de aprendizaje: la supervisada, la que todos podemos asociar con nuestros padres o maestros guiándonos en el reconocimiento de un objeto, y la no supervisada, que sucede espontánea y pasivamente cuando nos movemos por el mundo observando lo que sucede a nuestro alrededor”.

Los modelos teóricos que describen matemáticamente los procesos de aprendizaje biológico consideran la experiencia visual espontánea, particularmente el papel de la continuidad temporal de los estímulos visuales, fundamental para la maduración del sistema visual.

Para probar esta hipótesis, los investigadores realizaron un experimento en el que expusieron a 18 ratones recién nacidos, separados en dos grupos, a diferentes entornos visuales. Ambos grupos fueron expuestos a 4 horas diarias de videos inmersivos, con la variante de que a un grupo se les presentó la versión original (continua) del video, mientras que al otro grupo se le presentó una versión en la que se mezclaron los cuadros individuales de imágenes, destruyendo así la continuidad temporal de la experiencia visual.

Experiencia visual pasiva

Los investigadores evidenciaron que los jóvenes animales expuestos al flujo visual discontinuo, presentaban un deterioro en la maduración de algunas de las llamadas “células complejas” de la corteza visual.

Estas neuronas juegan un papel clave en el procesamiento visual, ya que permiten reconocer la orientación del contorno de un objeto, independientemente de su posición exacta en el campo visual, una habilidad perceptiva que solo recientemente se ha implementado en sistemas de visión artificial.

La forma de aprendizaje supervisada es la que ocurre cuando nuestros padres o maestros nos dirigen al reconocimiento de un objeto.

Estas observaciones, además de mostrar la importancia de la experiencia visual pasiva para el desarrollo del sistema visual, indican que las formas de aprendizaje espontáneo son la base del desarrollo de al menos alguna función visual elemental, mientras que otras formas de aprendizaje solo entran en juego más tarde debido a la adquisición de habilidades más específicas y sofisticadas.

Estos resultados, explican los autores del estudio, podrían tener implicaciones clínicas y tecnológicas. Por ejemplo, hay niños que sufren de cataratas congénitas, que luego de una cirugía, tienen que desarrollar sus habilidades de reconocimiento visual prácticamente desde cero.

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En la actualidad, algunos enfoques de rehabilitación explotan la continuidad temporal de estímulos visuales específicos para enseñar a estos pacientes a discriminar los objetos visuales. Los resultados del estudio confirman la validez de estos enfoques, revelando los mecanismos neuronales que subyacen, y sugieren posibles mejoras y simplificaciones.

Además, el desarrollo de sistemas visuales artificiales utiliza actualmente principalmente técnicas de aprendizaje supervisado, que requieren el uso de millones de imágenes. Los hallazgos del estudio sugieren que estos métodos deberían complementarse con algoritmos de aprendizaje no supervisado que imiten los procesos que funcionan en el cerebro para que el entrenamiento sea más rápido y eficiente.

Referencia: Unsupervised experience with temporal continuity of the visual environment is causally involved in the development of V1 complex cells. Science Advances, 2020. https://doi.org/10.1126/sciadv.aba3742

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