A neurociência da mestria através da aprendizagem por tentativa e erro

As células de Purkinje do cerebelo ajustam os movimentos motores coordenados.

Desenho de células de Purkinje (A) e células granulares (B) de pombo cerebelo por Santiago Ramón y Cajal, 1899; Instituto Cajal, Madri, Espanha.

Fonte: Wikipedia / domínio público

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Johns Hopkins desenterrou novos e empolgantes detalhes sobre como as células cerebelares Purkinje dominam movimentos complexos através de um processo de aprendizado por tentativa e erro, no qual cada erro que ocorre durante a prática ajuda o cerebelo a melhorar a coordenação motora sintonizada. Este artigo, “Codificando o Erro e Aprendendo a Corrigir Esse Erro pelas Células Purkinje do Cerebelo”, foi publicado online em 16 de abril na revista Nature Neuroscience .

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O aspecto mais significativo deste estudo é que o autor sênior Reza Shadmehr, professor de engenharia biomédica e neurociência na Escola de Medicina da Universidade Johns Hopkins, e seus colegas identificaram como as células de Purkinje funcionam. Esta pesquisa acrescenta novas idéias e evidências empíricas para apoiar os documentos de referência do século XX que especularam sobre o que as misteriosas células de Purkinje estavam realmente fazendo, como “O Cerebelo como uma Máquina Neuronal” (John Eccles et al., 1967). Teoria do Córtex Cerebelar ”(David Marr, 1969) e“ Uma Teoria da Função Cerebelar ”(James S. Albus, 1971).

Cerebelo (latim para “pequeno cérebro”) em vermelho. “Cerebelo” significa “relacionado a ou localizado no cerebelo”.

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Fonte: Banco de dados de Ciências da Vida / Wikipedia Commons

Um comunicado de imprensa de 3 de maio de 2018 sobre a avançada pesquisa de células Purkinje sendo conduzida na Johns Hopkins Medicine, “Decodificando a Máquina de Aprendizagem do Cérebro”, descreve o cerebelo como uma “máquina de aprendizado” dentro do cérebro dos mamíferos. Seu estudo mais recente sobre macacos mostra que as células de Purkinje fazem previsões e aprendem a dominar tarefas complexas, corrigindo constantemente pequenos erros. Com a prática, os erros diminuem e a precisão aumenta. Com o tempo, isso resulta no que chamo de “ superfluidez ”.

Fonte: Wikipedia / Creative Commons

Como um exemplo atlético de domínio cerebelar baseado em Purkinje, a declaração diz: “Quando aprendem a atirar uma bola de basquete, as pessoas geralmente perdem muitas vezes antes de dar um tiro no aro. Conforme o braço se move, o cerebelo faz previsões sobre as conseqüências da ação. Quando a previsão não corresponde à realidade – isto é, a bola perde o arco – o cerebelo recebe feedback dos olhos e do braço para aprender com o erro, fatores de ajuste fino como objetivo, força e liberação para fazer uma cesta. Esse aprendizado de tentativa a tentativa com erro produz melhorias graduais no desempenho ”. O mesmo processo de aprendizagem cerebelar de tentativa e erro ocorre em todos os esportes e ajuda a explicar por que a prática leva à perfeição. Notavelmente, ter um “olho para a bola” também está diretamente ligado ao cerebelo e ao nosso reflexo vestíbulo-ocular (VOR).

Células de Purkinje aprendem o método de tentativa e erro através de picos “simples” e “complexos”

De acordo com as últimas pesquisas da Johns Hopkins, as células de Purkinje se comunicam através de dois tipos de sinais elétricos chamados “picos simples” e “picos complexos”. Picos simples refletem previsões que as células de Purkinje estão fazendo sobre movimentos ideais. Picos complexos refletem informações enviadas de volta a um aglomerado de células de Purkinje para informá-las se houve um erro na previsão ou se o tempo e a velocidade de um movimento foram precisos. Para cada habilidade motora única, todas as células Purkinje especializadas recebem a mesma mensagem de erro e parecem trabalhar em conjunto ao fazer correções motoras apropriadas com base em um erro específico.

“Você pode pensar nos picos simples como o ‘aluno’ que faz uma previsão e os picos complexos como o ‘professor’ que fornece feedback”, disse Shadmehr em um comunicado.

Segundo Shadmehr, “uma das vantagens da arquitetura do cerebelo é que ela protege as memórias”. Uma vez que a memória muscular necessária para fazer algo que é primariamente cerebelar (como andar de bicicleta) é martelada e forjada em suas células de Purkinje, o simples e picos complexos associados à coordenação desta habilidade motora tornam-se hardwired.

Touch-Typing Depende da Aprendizagem Cerebelar Baseada em Purkinje

Dominar a habilidade de “digitar com o toque” sem olhar para o teclado é um perfeito exemplo diário de aprendizado por tentativa e erro baseado em célula Purkinje. Da próxima vez que você estiver em um teclado, coloque as pontas dos seus dedos indicadores esquerdo e direito nas pequenas cristas encontradas nas teclas “F” e “J”, respectivamente. Colocar as mãos nesta “posição inicial” orienta o seu cerebelo para saber automaticamente onde todos os seus dedos estão localizados em relação a teclas específicas. Isso cria previsibilidade via propriocepção cerebelar.

Você pode digitar ” a raposa vermelha rápida pula sobre o cachorro marrom preguiçoso ” sem olhar para as teclas? Em caso afirmativo, quantas vezes em um minuto você pode digitar essas 10 palavras? Esta frase tem todas as letras do alfabeto e é um padrão de ouro para testar a capacidade de digitação de alguém. Com a prática, seus dedos aprenderão implicitamente onde todas as teclas estão localizadas e você poderá dominar digitando mais de 40 palavras por minuto (WPM), o que é considerado uma velocidade “média”.

Com base nas pesquisas mais recentes da Johns Hopkins sobre aprendizagem por tentativa e erro, pode-se especular que quanto mais você pratica a correção de erros enquanto digita “ a rápida raposa vermelha pula sobre o cão preguiçoso ” que aglomerados de células de Purkinje estão sendo sintonizados para dominar esta habilidade através de picos simples e complexos.

Curiosamente, uma vez que a capacidade implícita de seu cerebelo para prever onde as letras apropriadas estão localizadas sem olhar para baixo, a maioria dos datilógrafos eventualmente perde seu conhecimento cerebral e memória declarativa de poder dizer onde cada letra está localizada em um teclado QWERTY. Curiosamente, posso corroborar esse fenômeno. Como alguém que tem digitado desde o ensino médio, para descrever as duas teclas com sulcos em braille, tive que olhar para o teclado para verificar se “F” e “J” são onde eu intuitivamente coloco as pontas. dos meus dedos sempre que começo a digitar.

Se alguém lhe perguntasse onde as teclas iniciais (A, S, D e F para a mão esquerda e J, K, L e ponto-e-vírgula para a mão direita) estão localizadas em um teclado QWERTY, você saberia a resposta? (Algumas curiosidades: o nome deste layout de teclado padronizado vem da sequência de seis letras na parte superior esquerda da linha superior.)

Abaixo está um vídeo de 2 minutos de pesquisadores da Vanderbilt University que ilustra como podemos aprender a digitar automaticamente sem nenhum conhecimento explícito de onde estão localizadas as teclas de letras específicas:

Danos à estrutura ou conectividade funcional do cerebelo podem impactar profundamente a capacidade de alguém de coordenar e executar movimentos motores com fluidez. Doenças que afetam o cerebelo tipicamente resultam em várias formas de ataxia e dismetria. Uma das possíveis aplicações da mais recente pesquisa da Johns Hopkins sobre as células de Purkinje e o processo cerebelar de aprendizagem por tentativa e erro poderia ser o desenvolvimento de métodos mais refinados para o diagnóstico de anormalidades cerebelares.

Outro artigo, “Atividade Locomotora Modula Aprendizagem Associativa em Cerebelo de Rato”, também foi publicado em 16 de abril na Nature Neuroscience. Este estudo   Descobriu que os ratos que correm mais rápido em uma esteira aprendem tarefas de memória implícita mais rapidamente do que suas contrapartes mais lentas. Para mais informações, “Por que a aceleração da corrida acelera o aprendizado no cerebelo?”

Referências

David J. Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo e Reza Shadmehr. “Codificação de erro e aprendizado para corrigir esse erro pelas células de Purkinje do cerebelo.” Nature Neuroscience (Publicado online em 16 de abril de 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0136-y

David J., Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo e Reza Shadmehr. “Codificação da ação pelas células de Purkinje do cerebelo.” Nature (2015) DOI: 10.1038 / nature15693

John Eccles, Janos Szentágothai e Masao Ito. “O Cerebelo como uma Máquina Neuronal”. New York: Springer Verlag; (1967)

David Marr. “Uma Teoria do Córtex Cerebelar” O Jornal de Fisiologia (1969) DOI: 10.1113 / jphysiol.1969.sp008820

James S. Albus. “Uma Teoria da Função Cerebelar.” Mathematical Biosciences (1971) DOI: 10.1016 / 0025-5564 (71) 90051-4

Piergiorgio Strata. “Teoria da Aprendizagem Cerebelar de David Marr: 40 anos depois” The Journal of Physiology (2009) DOI: 10.1113 / jphysiol.2009.180307

Catarina Albergaria, N. Tatiana Silva, Dominique L. Pritchett e Megan R. Carey. “A atividade locomotora modula a aprendizagem associativa no cerebelo do rato.” Nature Neuroscience (Publicado online em 16 de abril de 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0129-x