L'agilitat oculta del cervell: un nou estudi mostra com ajustem les decisions a mitja acció

• L'estudi revela que la presa de decisions i el moviment es produeixen simultàniament, ajustant-se constantment a la nova informació sensorial en lloc de seguir un procés seqüencial.
• Tant els humans com les rates ajusten els seus moviments en temps real, demostrant la flexibilitat del cervell a l'hora d'integrar l'entrada sensorial del passat i del present.
• Aquestes troballes podrien millorar els algorismes d'IA adaptatius i contribuir a les teràpies per als trastorns motors millorant la nostra comprensió del moviment i la dinàmica de presa de decisions.

Imagineu-vos que esteu a la botiga de queviures i busqueu una poma. En aquesta fracció de segon, no només us moveu, sinó que esteu decidint. Però, què passa si arriba informació nova a mig abast? Et compromets amb el moviment que has iniciat o el teu cervell s'ajusta sobre la marxa?

Un nou estudi publicat a Nature Communications dels investigadors Manuel Molano-Mazón, Alexandre Garcia-Duran, Alexandre Hyafil, Jordi Pastor-Ciurana, Lluís Hernández-Navarro, Lejla Bektic, Debora Lombardo i Jaime de la Rocha, explora aquesta mateixa qüestió. Els autors, adscrits al Centre de Recerca Matemàtica (CRM), IDIBAPS i la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), van trobar que la presa de decisions i el moviment no funcionen en passos separats. En canvi, es desenvolupen junts, ajustant-se constantment en resposta a la nova informació sensorial.

Durant dècades, els científics van creure que el cervell seguia un procés de dos passos: primer, decidir què fer i després esbrinar com fer-ho. Aquest estudi desafia aquesta suposició. En observar humans i rates, els investigadors van descobrir que la presa de decisions i el moviment evolucionen paral·lelament, integrant perfectament les expectatives passades amb actualitzacions en temps real. "Sovint es tracta el cervell com una màquina que processa la informació de manera seqüencial: primer decideix, després actua. Però la realitat és més complexa. Aquests processos estan en comunicació constant i es poden modificar mútuament en temps real". explica Alexandre Garcia-Duran, estudiant de doctorat a CRM i un dels autors de l'estudi.

A l'experiment, els participants humans i animals havien de triar entre dues opcions basades en senyals auditius. De vegades, l'entorn confirmava les seves expectatives; altres vegades, els va llançar una bola corba. Inicialment, tant les rates com els humans es van moure en funció de supòsits previs, predint el resultat probable abans de processar completament l'evidència sensorial. Però quan el so real va contradir les seves expectatives, es van adaptar, de vegades fins i tot invertint el curs a mig moviment en el que els científics anomenen un canvi d'opinió.

Per exemple, les rates començarien a moure's cap a un port específic, esperant que el so més fort vingués d'aquesta direcció. No obstant això, en només 100 mil·lisegons, si l'evidència apuntava a un altre lloc, s'alentirien, accelerarien o canviarien de direcció bruscament. Sorprenentment, els participants humans van mostrar el mateix comportament qualitatiu quan realitzaven una tasca similar en una pantalla tàctil.

Els humans, com les rates, equilibren les expectatives prèvies amb l'entrada sensorial en temps real. La seva precisió va millorar a mesura que les indicacions sonores es van fer més clares, fins i tot quan reaccionaven en tan sols 50 mil·lisegons. Quan les expectatives i les proves s'alineaven, els moviments eren més ràpids; quan s'enfrontaven, els moviments es van ralentir. En aproximadament el 7% dels assaigs, els participants van canviar la seva decisió a la meitat del moviment, la majoria de vegades quan les suposicions anteriors es van contradir fortament per la nova informació.

“Un canvi d'opinió es produeix quan dues fonts d'informació es contradiuen. Les teves expectatives et diuen una cosa, però les noves evidències en diuen una altra. Si el nou senyal és prou fort i el cost de l'adaptació és baix, canvieu". diu Garcia-Duran. Afegeix que no es tracta només de quanta informació rep el cervell, sinó també de l'esforç necessari per canviar de rumb: "Si esteu a punt de completar un moviment i arriba un senyal contradictori, podeu acabar el que vau començar en comptes de corregir a mitja acció".

El poder de processament paral·lel del cervell

Per entendre aquesta interacció dinàmica entre el moviment i la presa de decisions, els investigadors van crear un model computacional. A diferència dels models tradicionals que només prediuen les opcions finals, aquest recull com evolucionen les decisions en temps real i donen forma al moviment.

El model acumula proves sensorials mitjançant un procés de difusió de deriva, integrant expectatives prèvies i estímuls en temps real per determinar la direcció del moviment. Un senyal d'urgència desencadena un moviment inicial, que després es pot actualitzar en funció d'una entrada sensorial addicional, ja sigui accelerant o invertint la trajectòria si la nova evidència contradiu les suposicions anteriors. Per estimar els paràmetres del model, s'entrena una xarxa neuronal en 10 milions de simulacions, aproximant l'elecció, el temps de reacció i els ajustos de moviment per a la inferència basada en la probabilitat.

" Richard Feynman va dir una vegada: "El que no puc crear, no ho entenc". Això és essencialment el que fem amb els models: trencar els mecanismes fonamentals que impulsen el comportament ". Explica Garcia-Duran. El model descriu dues etapes fonamentals: una lectura inicial, on el moviment es desencadena per expectatives prèvies i una entrada sensorial mínima, i una segona lectura, on les dades sensorials noves afinen l'acció. Si la nova evidència contradiu clarament la decisió inicial, el cervell fins i tot pot revertir el moviment a mitja acció, una habilitat adaptativa essencial per a la supervivència en entorns impredictibles.

Per provar la precisió del model, l'equip va entrenar xarxes neuronals artificials en milions de decisions simulades, predint opcions, temps de reacció i velocitats de moviment. Els resultats es van alinear molt amb el comportament del món real: els moviments eren més ràpids quan les expectatives coincideixen amb l'entrada sensorial i més lents quan entraven en conflicte. Això dóna suport a la idea que les nostres accions no són seqüències preprogramades, sinó processos dinàmics modelats per una acumulació contínua d'evidències.

Tanmateix, Garcia-Duran destaca que cap model és perfecte: “Els models mai són una rèplica exacta de la realitat. El comportament humà és increïblement estocàstic: hi ha tants processos superposats que un cert nivell de variabilitat és inevitable. El repte és aïllar els mecanismes fonamentals mantenint el model prou senzill com per ser útil".

Entendre com el cervell perfecciona contínuament el moviment té implicacions molt més enllà del laboratori. Aquests coneixements podrien millorar els algorismes de moviment robòtic, fent que la intel·ligència artificial sigui més adaptativa en entorns del món real. També podrien informar teràpies per a trastorns motors com la malaltia de Parkinson, on tant el control del moviment com la presa de decisions es veuen afectats.

"L'aplicació potencial més immediata és la investigació clínica. Si entenem com hauria de funcionar aquest procés en condicions normals, podrem comparar-lo amb pacients amb trastorns neurològics i identificar què funciona mal", apunta Garcia-Duran.

De cara al futur, els investigadors volen explorar si el cervell integra contínuament informació nova o ho fa en passos discrets. "Una gran pregunta és si processem constantment noves proves o actualitzem en ràfegues discretes. Què és més eficient; absorbint tota la informació entrant en tot moment o actualitzant selectivament quan sigui necessari? Això és una cosa que encara no sabem", Garcia-Duran diu.

Per tant, la propera vegada que dubteu a mitja acció o canvieu de rumb de sobte, no ho confongueu amb indecisió. És només el teu cervell fent el que millor sap; mantenir-te en el camí correcte, fins i tot quan el món et llança informació nova a l'últim segon.

Referència de l'article:

Molano-Mazón, M., Garcia-Duran, A., Pastor-Ciurana, J. et al. Actualització ràpida i sistemàtica del moviment mitjançant proves de decisió acumulades. Nat Commun 15, 10583 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53586-7