viernes, 26 de septiembre de 2008

"Fungus eaters" e Inteligencia Artificial



En 1961, Masanao Toda propuso el desarrollo de sistemas autónomos completos que habían de cambiar el concepto de agente en Inteligencia Artificial. Hasta entonces, la cuestión de la capacidad de supervivencia de agentes virtuales en entornos complejos, hasta cierto punto, comparables a los ambientes propios de los sistemas biológicos, ni siquiera se había dejado entrever. La psicología cognitiva comenzaba a hacer acto de presencia pero se centraba en el manejo de sistemas simbólicos para dar cuenta de las funciones cognitivas tradicionales. La idea de Toda, sin embargo, va a generar un cambio de paradigma en toda regla: se trata de estudiar sistemas completos, esto es, sistemas capaces de comportarse de manera autónoma en un entorno sin intermediación humana, descomponiéndolos en sistemas más simples. Tales sistemas han de incorporar numerosas capacidades, pero lo importante es que, en todo momento, habrán de decidir qué hacer. En el capítulo séptimo de "Man, robot and society" (1982, p. 100 y ss.), Toda plantea el escenario de un agente autónomo, un "fungus eater" solitario, que es enviado a un planeta lejano a aprovisionarse de uranio. Cuanto más recolecta, más recompensa recibirá en forma de un cierto tipo de hongo que crece en el planeta. El agente dispone de un almacén, de sistemas de recolección, de mecanismos de percepción, puede moverse, pero lo esencial es que va tomando decisiones en función de un entorno cambiante. El agente debe ser autónomo porque es demasiado simple como para ser controlado a distancia, por ejemplo, por humanos. De hecho, nadie puede repararlo o alimentarlo externamente. Y en consecuencia, ha de contemplar el mundo bajo su propia perspectiva: su única información disponible surge de la interacción de sus sensores con el entorno. Toda diseña un agente adaptativo que, con el tiempo, dará paso, por un lado, a la idea de Brooks (1991) de robots autónomos adaptativos y, por el otro, a una enorme cantidad de estudios sobre "swarm intelligence" o inteligencia de agentes que simulan la inteligencia social presente en colmenas u hormigueros (ver el libro del mismo título de Bonabeau, Dorigo y Theraulaz, 1999). El camino a la robótica evolutiva también había quedado abierto (véase Nolfi y Floreano, 2000).

sábado, 20 de septiembre de 2008

Joaquín Fuster: un revolucionario de la Neurociencia


Queremos rendir homenaje en este blog al científico barcelonés, Joaquín Fuster, uno de los auténticos genios de la Neurociencia del siglo XX y cuyas contribuciones han recibido el reconocimiento de premios tan prestigiosos, como el "The Goldman-Raki Price for Cognitive Neuroscience" y el "George Miller Prize" en 2007, concedido por la "Cognitive Neuroscience Society". Nos acercaremos al médico catalán a través de un análisis de su obra maestra, "Cortex and Mind", pero el lector interesado en conocer el desarrollo de una carrera que abarca más de medio siglo, haría bien en entrar en su propia página web, http://www.joaquinfuster.com/
En su obra de 1995, "Memory in the Cerebral Cortex", Fuster defendió que la memoria a corto plazo, la memoria operativa y la memoria a largo plazo, comparten las mismas redes corticales. Se trataba de una hipótesis que, de manera fértil, hibridaba sus trabajos de los años 50 y 60 sobre sistemas de activación reticular en el cerebro y su descubrimiento, en la década de los 70, de células especializadas en la función mnemónica en primates.
La gran cuestión es si existe una correspondencia entre el orden mental y el orden de las estructuras y procesos que acaecen en el sistema neuronal del córtex. La sinapsis desempeña un papel esencial en la formación de redes cognitivas. Las representaciones neurocorticales de nuestros entornos internos y externos se construyen, en gran medida, por modulación de contactos entre neuronas. Según Fuster, en las áreas motoras y sensoriales, pueden trazarse anatómicamente una serie de caminos corticales hacia áreas asociativas superiores. Estos caminos se componen de fibras ascendentes y descendentes. Las redes neocorticales para la representación cognitiva se desarrollan en la misma dirección que la conectividad cortical. La intersección de redes en aquellas áreas justificaría la representación multimodal de objetos. Es fascinante cómo las redes cognitivas se auto-organizan por auto-asociación.
La estructura interna del neocórtex revela su uniformidad: consiste de seis capas, cada una con su arquitectura de células y fibras. La percepción consistiría en la activación, a través de los sentidos, de una red cortical posterior que, representaría en su estructura asociativa, un patrón de relaciones, presente en el entorno. ¿Qué decir de la memoria? Las memorias almacenadas son redes corticales. Hay que tener en cuenta que la memoria es fundamentalmente una función asociativa. La formación de las asociaciones entre las poblaciones de células corticales que configuran las redes de memoria, tiene lugar bajo el control funcional de las estructuras límbicas, especialmente el hipocampo. La atención, repetición y la práctica son operaciones cognitivas que trabajan, de manera sinérgica, en el fortalecimiento de las sinapsis que forman las redes de memoria del córtex. Precisamente, la consolidación de una memoria consistirá en la modulación sináptica bajo aquellas operaciones cognitivas. A partir de aquí será necesario incidir en los distintos tipos de memoria (a corto plazo, perceptual, ejecutiva...), pero lo esencial de la tesis de Fuster es que su base fisiológica son redes organizadas jerárquicamente en el córtex. Más aún, todo el córtex cerebral podría ser considerado como una "web" cortical global, en la que cualquier población neuronal estaría conectada, directa o indirectamente, con cualquier otra, y la fuerza de la conectividad entre ellas variaría en términos de conexiones entre fibras y de vínculos sinápticos.
Otras funciones cognitivas, como la atención, el lenguaje y la inteligencia se organizarían en torno a los mismos principios citados, siempre teniendo en cuenta la peculiaridad específica de su base anatómica. Pero el Doctor Fuster va más allá y se atreve a hipotetizar acerca del sentido funcional de la cúspide de la actividad cerebral: la conciencia. La conciencia, entendida como el flujo de conciencia al que se refería William James, consistiría en la activación secuencial, más allá de un cierto umbral, de las redes corticales de las distintas operaciones cognitivas mencionadas. Así pues, hemos desembocado en la culminación del edificio pacientemente construido por Fuster: un enfoque que unifica toda la cognición.
Sirva esta breve referencia para rendir tributo a uno de los neurocientíficos más brillantes del siglo XX, por derecho propio en la senda de un Tanzi o un Cajal.

domingo, 14 de septiembre de 2008

12th Congress of the European Federation of Neurological Societies



Se ha celebrado en Madrid el duodécimo "Congreso de la Federación Europea de Sociedades de Neurología" (23-26 de agosto de 2008). Más de 4.000 participantes, unos 1.800 "abstracts" y 200 bolsas de viaje concedidas a jóvenes neurólogos hablan bien a las claras de la magnitud de este Congreso. Hemos de dar las gracias a todas las personas que han contribuído a su organización pero, en especial, agradecemos el esfuerzo de los Comités locales encabezados por Antonio Gil-Nagel, vicepresidente del Comité del programa y acompañado por Marcelo Berthier y Francisco Javier Grandas. Isabel Illa, como vicepresidenta del Comité de la EFNS y Rosario Luquin, Inmaculada Bonaventura, María Dolores Martínez, Valentín Mateos, Jesús Porta-Etessam y Pedro Jesús Serrano, fueron decisivos para que esta magna reunión llegara a buen término.

El Congreso se abrió con unas palabras de presentación por parte del presidente de la EFNS, Jacques L. De Reuck y comenzó con un curso libre titulado "How do I examine...? Intervino en primer lugar el profesor Gil-Nagel que, una vez más y secundado por su equipo del Hospital Ruber Internacional, demostró su gran categoría como neurólogo, con una muy interesante y cuidada propuesta acerca de cómo distinguir adecuadamente los ataques de epilepsia. Niall Quinn hizo mención a los métodos que está desarrollando en Londres para diagnosticar a los pacientes con la enfermedad de Parkinson e hizo hincapié en algo que, en estos tiempos de avance tecnológico constante, parece habérsenos olvidado: la importancia decisiva de la observación clínica por encima de las mediciones con aparatos. Para finalizar este curso, Michel Clanet se ocupó del diagnóstico temprano en la esclerosis múltiple.

El autor de este blog no es especialista en Neurología Clínica y, por lo tanto, centró su presencia en el Congreso en aquellos cursos y simposios que sí tenían que ver algo con su especialización, esto es, que tocaban más de cerca el lado computacional o que, por su relevancia, generalmente desde un punto de vista histórico, no podían ser obviados.

Destacamos del domingo 24 de agosto una sesión sobre neuro-estimulación para la epilepsia, en la que participaron los profesores Wadman y Boon. El profesor Wadman defendió el potencial de la neuroestimulación para diversas patologías cerebrales. El problema con la epilepsia, sin embargo, es que no es fácil encontrar la mejor localización para realizar la estimulación, por lo que es imprescindible realizar un óptimo protocolo con los pacientes candidatos a recibir esta terapia. Habría que distinguir, por otro lado, entre intervenir durante el comienzo de un ataque epiléptico y reducir crónicamente la excitabilidad del paciente, para así también reducir la probabilidad de la ocurrencia de un ataque. Especialmente interesante es la aplicación de estrategias de "bucle cerrado", esto es, de estrategias en las que el nivel de estimulación sea controlado por el propio estado del cerebro. El profesor Boon propuso la estimulación del nervio vago como un tratamiento alternativo para los pacientes con epilepsia refractaria a los tratamientos convencionales. En la misma mañana del domingo, un grupo de profesores de la Universidad de Palermo, encabezados por el profesor Giglia, mostraban cómo modular el córtex prefrontal dorsolateral mediante estimulación magnética transcraneal repetitiva, misma técnica que Antonio Oliviero exponía por la tarde en relación con el tratamiento de los desórdenes del movimiento. A la misma hora, Barbro B. Johansson analizaba el fascinante tema de la plasticidad cerebral. Según Johansson, el entrenamiento en actividades específicas de la vida diaria, a partir de la primera semana después de haber sufrido daño cerebral, es un factor clave en la rehabilitación. El cerebro tiene una gran capacidad para el procesamiento simultáneo automático. Las lesiones corticales interrumpen las redes que combinan diferentes regiones, y la capacidad para el procesamiento automático de los estímulos de entrada se vé reducida. La representación motórica y cortical de la mano ejerce influencias inhibitorias sobre el córtex motor opuesto, en individuos sanos. Basado en la observación de una actitud muy inhibitoria en aspectos tactiles de los pacientes con infarto cerebral, Johansson hipotetiza que esta anormalidad podría influir de manera adversa en la recuperación motora y usa sistemas de estimulación magnética transcraneal para ayudar a la recuperación.

Como es obvio, las técnicas de neuroimagen ocuparon un lugar destacado en el Congreso, técnicas profusamente empleadas en uno de los temas estrella de la reunión, junto a la epilepsia y la enfermedad de Alzheimer: me refiero a la cuestión de los desórdenes del movimiento y, en concreto, a los desórdenes cuyo foco se sitúa en los ganglios basales. La profesora Daniela Berg, desarrolló, en este sentido, su exposición, el lunes 25 por la mañana. Según la investigadora de Tübingen, para el diagnóstico diferencial de los síndromes Parkinsonianos, las técnicas de SPECT y de PEC presentan muchas limitaciones en el discernimiento entre enfermedad de Parkinson idiopática y enfermedad de Parkinson atípica. En cambio, el uso de TCS sí se ha mostrado útil para diferenciar entre pacientes. No obstante, técnicas MRI especiales, como la imagen tensorial de difusión (DTI) y la volumetría de las diferentes áreas, están llamando a las puertas del diagnóstico. En una línea similar, el grupo de jóvenes neurólogos de Barcelona, capitaneado por Ibarretxe-Bilbao, expuso, usando procedimientos de neuroimagen, la cuestión de la toma de decisiones y el reconocimiento de emociones en enfermos de Parkinson.

En la sesión sobre Neuropsicología Cognitiva del martes día 26 resaltamos el trabajo presentado por el grupo de la Universidad de Ginebra sobre la disociación de la relación semántica y los efectos del lenguaje en el cerebro bilingüe, usando potenciales de eventos. Numerosos estudios revelan efectos de facilitación semántica en respuestas más rápidas a palabras diana, precedidas por estímulos iniciales semánticamente relacionados, frente a estímulos no relacionados semánticamente. En sujetos bilingües se observa además, que la velocidad de respuesta es superior en la primera lengua. Empleando técnicas de electrofisiología, los autores disocian lenguaje y efectos semánticos en el tiempo y en el espacio.

El Congreso se cerró, para el autor de esta crónica, con una fascinante sesión sobre Historia de la Neurología, presidida por el profesor Jesús Porta-Etessam, del Hospital Clínico, y por el profesor Iván Iniesta, del Walton Centre de Liverpool. Iniesta introdujo, de manera muy solvente, la figura de Pedro Laín Entralgo, como gran representante de la Historia de la Medicina de la segunda mitad del siglo XX y como defensor de una visión holística del diagnóstico que incluso se remontaría hasta Hipócrates. Muy relevante fue la intervención de un investigador de tanta valía como es Javier De Felipe, del Instituto Cajal de Madrid. Versó sobre Ramón y Cajal y su famosa metáfora de "las mariposas del alma" para referirse a las células piramidales del cerebro. El profesor De Felipe explicó la descripción realizada por Cajal en 1888 de espinas dendríticas que, otros, como el propio Golgi, habían creído que se debían a ilusiones o artefactos generados por el propio método de tinción del fisiólogo italiano. Dos años más tarde, el médico aragonés describe la presencia de espinas en las neuronas piramidales del córtex de mamíferos, sugiriendo y esto es lo verdaderamente esencial, que eran puntos de contacto para los axones y, en consecuencia, un fundamental elemento de conectividad. Esta circunstancia no pudo ser demostrada hasta dos décadas después de su muerte, al entrar en escena el microscopio electrónico. Más aún, recientes estudios demuestran la gran importancia de estas estructuras para la cognición, dada su alta plasticidad. Podemos hablar, por lo tanto, de un Cajal absolutamente visionario que nos transporta al siglo XXI. Del Cajal que, en el siglo XX, vence las reticencias iniciales, demostrando que el sistema nervioso forma una red estructurada y no una red difusa (como diría Golgi) y que la conectividad neuronal está polarizada de una manera definida, al Cajal que vislumbra la funcionalidad de unas estructuras que, durante décadas, fueron contempladas como estructuras extrañas y quizá afuncionales.

La última presentación correspondió a Alberto Portera, por cuyas manos ha pasado gran parte de la vanguardia de la Neurología española durante el siglo XX. El profesor Portera, siempre entusiasta, siempre enciclopédico y ocurrente, nos presentó un vídeo que nos situaba en el desaparecido Museo Cajal de Madrid.

El Congreso finalizó y un gran esfuerzo quedaba atrás. Os espera Florencia en 2009.

jueves, 4 de septiembre de 2008

"Mathematical models of social evolution"


En nuestra habitual sección de crítica de libros, analizamos el libro "Mathematical models of social evolution", publicado por The University of Chicago Press en 2007 y cuyos autores son Richard McElreath y Robert Boyd. El primero es profesor de Antropología en la Universidad de California, Davis, mientras que el segundo es un prestigioso antropólogo de la Universidad de California, Los Ángeles, y coautor, junto a Peter Richerson, de la obra que quizá sea la biblia en la materia de los procesos culturales evolutivos, "Culture and the Evolutionary Process".

El libro consta de ocho capítulos y cinco apéndices. Un capítulo introductorio da paso a un capítulo en el que se empieza exponiendo el juego del halcón y la paloma, analizando el concepto de estrategias estables contínuas. A continuación, cómo no en una obra sobre modelos de tipo evolutivo, se analiza el dilema del prisionero y la aplicabilidad de la regla de Hamilton. En el capítulo cuarto es analizado el modelo de Axelrod-Hamilton sobre reciprocidad y el capítulo quinto resulta muy novedoso en una obra de estas características, al introducir el aspecto de la comunicación animal a través de la teoría de señales. Los últimos tres capítulos abordan desde el tema de la selección mediante la introducción del formalismo propiciado por la ecuación de Price hasta el tema de la selección sexual y cuestiones de "inclusive fitness", en general. Como es obvio, los apéndices introducen el instrumental matemático necesario para el lector neófito, instrumental que tiene que ver fundamentalmente con distribuciones binomiales y derivadas. Un aspecto muy interesante es que el libro está jalonado de un buen número de ejercicios que garantizan el adecuado aprovechamiento de la lectura y que, al final del mismo, reciben cumplida solución. También es de destacar la existencia de una pequeña pero sustanciosa bibliografía comentada al término de cada capítulo.

En primer lugar hemos de destacar que la mera existencia de una obra de estas características merece ser saludada con verdadera alegría. Desde el clásico de Hofbauer y Sigmund, "Evolutionary Games and Replicator Dynamics", hasta la reciente introducción de Nowak, "Evolutionary Dynamics", existe un buen arsenal de libros acerca de juegos evolutivos y dinámica evolutiva, pero no había sido publicado un manual introductorio como el aquí recensionado. Únicamente debemos achacarle como un elemento en contra que pensamos que su contenido no hace justicia a la amplitud de su título; es decir, la obra hace referencia a modelos matemáticos de evolución social pero se limita a incluir algunos modelos típicos de la Sociobiología, sin recalar, sin embargo, en modelos de auténtica inspiración social, como modelos acerca de rasgos tales como el conformismo, la innovación o la popularidad, por citar unos pocos ejemplos. Pero entremos en el análisis de los contenidos específicos.

Muchos de los modelos formales exigidos por la dinámica evolutiva exigen un análisis de su equilibrio. Los equilibrios son estados en los cuales el sistema logra, por así decirlo, detenerse en su dinámica. Los equilibrios son estables si el sistema retorna a ellos una vez que ha sido perturbado. Pero no todos los equilibrios son estables y, por eso, es interesante buscarlos. Imaginemos una especie en la que parejas de individuos entran en conflicto por algún tipo de recurso y pensemos en un modelo en el que sólo existan dos estrategias: la de halcón y la de paloma. Los halcones siempre pelean y nunca retroceden. Las palomas escapan si son atacadas. Cuando el coste c de perder en una lucha es menor que el valor v de los recursos, los pagos premian el luchar. Cuando las luchas son costosas, los pagos disminuyen. Pues bien, ni halcones ni palomas suponen estrategias evolutivas estables cuando v es menor que c.
La cuestión del altruísmo ocupa el capítulo tercero y es ilustrada mediante el Dilema del Prisionero. El aspecto más novedoso es que los autores apenas dedican espacio a este problema tan clásico, y se centran en explicar cómo el parentesco puede conducir a la evolución del altruísmo o "inclusive fitness". Pero, ¿cómo la selección natural puede llevar a una conducta cooperativa en ausencia de parentesco? Esta es la cuestión conocida como altruísmo recíproco y fue enfocada formalmente en un artículo de 1981 publicado por Axelrod y Hamilton en Science. El rasgo esencial de la reciprocidad es la cooperación contingente. Según los autores, Tit-for-Tat (TFT) es la mejor estrategia de reciprocidad. En ella, en cada serie de interacciones se empieza por cooperar. Y a continuación, cada oponente juega como el otro oponente jugó en la última interacción.

La teoría de juegos enfoca la vida social como si se tratara de un juego gigante ( ver p. 173). No obstante, ¿qué sucede cuando se tiene en cuenta el factor de la comunicación? Por ejemplo, en confrontaciones, si un individuo más fuerte puede convencer a otro, mediante señales, de que perderá la contienda, el más fuerte podrá triunfar sin coste alguno. A este aspecto está dedicado el capítulo cinco. En él se ilustra el proceso de comunicación social a través del juego de Sir Philip Sidney, basado en un cuento británico. Sir Philip Sidney fue cortesano en el periodo de la reina Isabel I. Antes de morir en plena batalla, le entregó su cantimplora a un soldado herido diciendo "la necesidad de aplacar la sed es más grande que la mía", esto es, un inusual ejemplo de altruísmo. El juego propicia analizar el coste de la señal del donante.

El capítulo sexto incluye modelos de selección natural usando la ecuación de Price sobre covarianza genética mientras que el capítulo séptimo se ocupa de la estructura poblacional en función del sexo. El último capítulo de la obra, objeto de comentario, es sobre modelos de selección sexual.
Finalizamos nuestra recensión, recomendando la lectura de este libro a toda aquella persona interesada en la estructura de los modelos formales para el análisis de procesos evolutivos. Si estamos de acuerdo con Alberto Portera en su reciente intervención realizada en el seno del Congreso de la Federación Europea de Sociedades de Neurología, la dinámica cerebral es, en buena medida, equiparable a la dinámica evolutiva social y, por eso, esta obra también interesará a los visitantes de este blog preocupados por cuestiones de Neurociencia.