Los algoritmos basados ​​en el cerebro crean mejores redes

Los algoritmos basados ​​en el cerebro crean mejores redes

Investigadores de Salk y Carnegie Mellon descubren cómo el cerebro poda las sinapsis durante el desarrollo

LA JOLLA–Cuando se trata de desarrollar redes eficientes y robustas, el cerebro a menudo puede saber más.
Investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos y la Universidad Carnegie Mellon han determinado, por primera vez, la velocidad a la que el cerebro en desarrollo elimina las conexiones innecesarias entre las neuronas durante la primera infancia.

Aunque los ingenieros usan un enfoque radicalmente diferente para construir redes distribuidas de computadoras y sensores, el equipo de investigación de científicos informáticos descubrió que sus nuevos conocimientos podrían usarse para mejorar la solidez y la eficiencia de las redes computacionales distribuidas. Los hallazgos fueron publicados en Biología computacional PLOS de julio 16, 2015.

"Al pensar computacionalmente sobre cómo se desarrolla el cerebro, cuestionamos cómo las tasas de poda de sinapsis pueden afectar la topología y la función de la red", dice Saket Navlajá, profesor asistente en el Centro de Biología Integrativa del Instituto Salk y ex investigador postdoctoral en el Departamento de Aprendizaje Automático de Carnegie Mellon. "Hemos utilizado los conocimientos resultantes para desarrollar nuevos algoritmos para construir redes adaptables y robustas en otros dominios".

La estructura de la red es un tema importante tanto para los biólogos como para los informáticos. En biología, comprender cómo se organiza la red de neuronas en el cerebro para formar su estructura adulta es clave para comprender cómo aprende y funciona el cerebro. En informática, entender cómo optimizar la organización de la red es esencial para producir sistemas interconectados eficientes.

Los investigadores de Salk y Carnegie Mellon desarrollaron un nuevo modelo para construir redes eficientes mediante el estudio de la velocidad a la que el cerebro elimina algunas de sus conexiones durante el desarrollo. En este modelo, los nodos (como las neuronas o los sensores) hacen demasiadas conexiones (izquierda) antes de volver a las conexiones más relevantes (derecha). El equipo aplicó su algoritmo basado en la poda sináptica a los patrones de vuelo aéreo y descubrió que podía crear rutas para permitir que los pasajeros llegaran a sus destinos de manera eficiente.

Haga clic aquí para una imagen de alta resolución.

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Pero los procesos que utilizan los ingenieros cerebrales y de redes para aprender la estructura de red óptima son muy diferentes.
Las neuronas crean redes a través de un proceso llamado poda. Al nacer ya lo largo de la primera infancia, las neuronas del cerebro establecen una gran cantidad de conexiones, más de las que el cerebro necesita. A medida que el cerebro madura y aprende, comienza a eliminar rápidamente las conexiones que no se utilizan. Cuando el cerebro llega a la edad adulta, tiene entre un 50 y un 60 por ciento menos de conexiones sinápticas que las que tenía en su apogeo en la infancia.

En marcado contraste, las redes informáticas y de ingeniería a menudo se optimizan utilizando el enfoque opuesto. Estas redes inicialmente contienen una pequeña cantidad de conexiones y luego agregan más conexiones según sea necesario.

“Las redes de ingeniería se construyen agregando conexiones en lugar de eliminarlas. Uno pensaría que desarrollar una red utilizando un proceso de poda sería un desperdicio”, dice Ziv Bar-José, profesor asociado en los departamentos de aprendizaje automático y biología computacional de Carnegie Mellon. “Pero como mostramos, hay casos en los que dicho proceso también puede resultar beneficioso para la ingeniería”.

Los investigadores primero determinaron los aspectos clave del proceso de poda contando la cantidad de sinapsis presentes en la corteza somatosensorial de un modelo de ratón a lo largo del tiempo. Después de contar las sinapsis en más de 10,000 imágenes de microscopía electrónica, descubrieron que las sinapsis se podaban rápidamente al principio del desarrollo y luego, a medida que avanzaba el tiempo, la tasa de poda se ralentizaba.

Los resultados de estos experimentos permitieron al equipo desarrollar un algoritmo para diseñar redes computacionales basadas en el enfoque de poda cerebral. Usando simulaciones y análisis teóricos, descubrieron que el algoritmo basado en la neurociencia producía redes que eran mucho más eficientes que los métodos de ingeniería actuales.

En las redes creadas con poda, el flujo de información fue más directo y proporcionó múltiples rutas para que la información llegara al mismo punto final, lo que minimizó el riesgo de fallas en la red.

"Tomamos este algoritmo de alto nivel que explica cómo se construyen las estructuras neuronales durante el desarrollo y lo usamos para inspirar un algoritmo para una red diseñada", dice Alison Barth, profesora del Departamento de Ciencias Biológicas de Carnegie Mellon y miembro de la iniciativa BrainHubSM de la universidad. “Resulta que este enfoque basado en la neurociencia podría ofrecer algo nuevo para que los científicos e ingenieros informáticos piensen mientras construyen redes”.

Como prueba de cómo se podría usar el algoritmo fuera de la neurociencia, Navlakha aplicó el algoritmo a los datos de vuelo del Departamento de Transporte de EE. UU. Descubrió que el algoritmo basado en la poda sináptica creaba las rutas más efectivas para permitir que los pasajeros llegaran a sus destinos.

“Nos damos cuenta de que no sería rentable aplicar esto a redes que requieren una infraestructura significativa, como ferrocarriles o tuberías”, dijo Navlakha. “Pero para aquellos que no lo hacen, como las redes inalámbricas y las redes de sensores, este podría ser un método adaptativo valioso para guiar la formación de redes”.

Además, los investigadores dicen que el trabajo tiene implicaciones para la neurociencia y creen que el cambio en las tasas de poda desde la adolescencia hasta la edad adulta podría indicar que existen diferentes mecanismos bioquímicos que subyacen a la poda.

“La neurociencia algorítmica es un enfoque para identificar y utilizar las reglas que estructuran la función cerebral”, dijo Barth. “Hay mucho que el cerebro puede enseñarnos sobre computación y mucho que la informática puede hacer para ayudarnos a comprender cómo funcionan las redes neuronales”.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos (https://www.salk.edu/) es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.