Aprendizaje Hebbiano:



Quizás el más influyente trabajo en la historia del coneccionismo es la contribución del neuropsicólogo canadiense Donald Older Hebb . en su libro
‘The Organization of behaviour’ (1949), Hebb presentó una teoría de la conducta basada tanto como le fue posible sobre la fisiología del SNC. Hebb redujo los tipos d evidencia fisiológica en 2 categorías principales: I) La existencia y propiedades de la actividad cerebral continua II)La naturaleza de la transmisión sináptica en el SNC. Hebb combinó estos dos principios para desarrollar una teoría de cómo ocurre el aprendizaje dentro de un organismo. Propuso que estimulación repetida de receptores específicos lleva lentamente a la formación de “ cell assemblies” asambleas de células o asambleas celulares lo cual puede actuar como un sistema cerrado después que la estimulación ha cesado. Esta actividad cerebral continua sirve solo como prolongación del tiempo para cambios estructurales que ocurren en el aprendizaje, sino también como la más simple instancia de un proceso representativo (ej.: imágenes o ideas).
El concepto más importante del trabajo de Hebb fue su declaración formal (conocida como postulado de Hebb) de cómo el aprendizaje puede ocurrir. El aprendizaje estaba basado en la modificación de las conexiones sinápticas entre neuronas. Específicamente:

Cuando un axón de la célula A está lo suficientemente cerca para excitar una célula B y y repetida o persistentemente toma parte en gatillarla (firing it), algún proceso o cambio metabólico toma lugar en una o ambas células tal que la eficiencia de A, como una de las células gatillando a B, es incrementada.

Los principios subyacentes a esta declaración han llegado a ser conocidos como Aprendizaje Hebbiano y puede ser descrito como mecanismo interactivo local, altamente interactivo, tiempo dependiente que incrementa la eficacia sináptica como una función de la actividad pre y post sináptica. Aunque la neurofisiología del tiempo de Hebb fue inadecuada para apoyar o negar el postulado de Hebb, la investigación reciente ha mostrado que la LTP potenciación de largo plazo tiene aquellos mecanismos putativos requeridos de aprendizaje Hebbiano.
Dentro del coneccionismo, el aprendizaje Hebbiano es un algoritmo de entrenamiento no supervisado en el cual la fuerza sináptica (peso W) es incrementada si ambos la neurona fuente y la neurona diana (target) están activas al mismo tiempo. Una extensión natural de esto (aludido por Hebb es el decaimiento de conexiones sin uso), es la disminución de la fuerza sináptica cuando la neurona fuente y la target no están activas al mismo tiempo. De aquí que el aprendizaje Hebbiano puede ser formulado como :


Donde
W ij (t)= la fuerza sináptica de neurona i a neurona j al tiempo t
net i = la excitación de la neurona fuente.
net j = la excitación de la neurona destinación.

Hay serias limitaciones con el aprendizaje Hebbiano como el enunciado (ej.: incapacidad de aprender ciertos patrones), pero existen hoy variaciones de este simple algoritmo.

El aporte de Hebb ha seguido 2 vías de desarrollo, una vinculada a la inteligencia artificial y redes neurales computacionales ingenieriles y otra en neurociencia.
Para entender mejor el tema voy a aplicar un enfoque genealógico.

Paréntesis histórico.
Los neurocientíficos asocian el nombre de Donald Older Hebb con las sinapsis Hebbianas y la regla de aprendizaje Hebbiano bajo el cual subyacen teorías conexionistas y el tema de la plasticidad neuronal.
Su postulado neurofisiológico sobre el aprendizaje tuvo una evolución histórica dentro de su propia obra:
Postulado de 1932:
“The organization of Behaviour” todavía es citado frecuentemente, mayormente refiriéndose al postulado neurofisiológico: “ cuando un axón de la celula A está lo suficientemente cerca para excitar una célula B y repetida y persistentemente toma parte en gatillarla , algún proceso de crecimiento o cambio metabólico toma lugar en una o ambas células tales que la eficiencia de A, como una de las células gatillando B, es incrementada” los diseñadores de cadenas neurales adoptaron este postulado, refiriéndose a el como la regla de Hebb, y algunos años más tarde los neurofisiólogos diseñaron técnicas para testear el postulado. Las sinapsis que se acomodaban a la regla fueron llamadas sinapsis de Hebb.
La idea de Hebb aparece en su tesis M.A. “Reflejos condicionados e incondicionados e inhibición”. Para seguir su tren de pensamiento, es útil comprender el clima de la sicología en su tiempo. La traducción inglesa del libro de Pavlov Reflejos Condicionados fue publicado en 1927 y creo un gran revuelo. En 1928 Ariens Kappers publicó su teoría de la neurobiotaxis. Proponiendo que los axones, sin miras de si estaban siendo gatillados, crecen hacia células activas durante su desarrollo. En 1925 Sherrington había publicado un artículo sobre inhibición de reflejos.
La tesis M.A. de Hebb muestra la influencia de estas publicaciones en esta figura el muestra los axones gatillados por un estimulo durante la provocación de un reflejo son atraídos al efector activo y llegan a ser capaces de gatillarlo. Los axones gatillados pasando cerca de neuronas que no están activas durante la provocación del reflejo de retirada desde aquellas neuronas. El resumen de Hebb de este propósito en su tesis es “ una neurona excitada tiende a disminuir su descarga hacia neuronas inactivas e incrementa su descarga a cualquier neurona activa, y por lo tanto forma una ruta para ello, haya neuronas interviniendo entre las dos o no. Con la repetición esta tendencia es preponderante en la formación de rutas neurales.
Fig.1

Postulado de 1934:

Como estudiante Ph.D. en Chicago Hebb repostuló suss ideas en un artículo para su clase de anatomía, lo tituló: “ La interpretación de datos experimentales sobre la acción neural”. Una de las figuras de este artículo (a) ilustra el principio de la sinapsis de Hebb. A representa un axón aferente excitado por el estímulo a ser condicionado, y X e Y representan tractos eferentes llevando al reflejo activo a otros reflejos menos activos. La coincidencia de excitación en A y actividad refleja en X , llevaría a la formación de una ruta A-B-X y a la descontinuación de otras rutas tales como A-C-Y, A-D y A-E. Para, así explicar la adquisición de reflejos condicionados.
Hebb modificó la teoría de la neurobiotaxis en dos formas: 1] Solo axones activos crecerían hacia células diana y 2] los axones activos serían repelidos por células inactivas . Otra figura de este artículo (b) expande este concepto a un axón A con dos terminales A’ y A” activando B y C. Con mayor actividad de B, la ruta A’-B será fortalecida, pero si hay una interneurona D, la cual es activada por A’, la ruta A’-D-C será fortalecida.


Postulado de 1949:
Hacia fines de los 40, Hebb estaba confrontado con el problema de cómo una colección al azar de neuronas podría ser organizada por el estímulo visual para permitir el subsiguiente reconocimiento del estímulo.
Una vez más volvió a su postulado de aprendizaje .Posiblemente debido a la fuerte critica que recibió n ese periodo la neurobiotaxis, el postulado de 1949 difiere en 2 aspectos: 1] Hebb introdujo el cambio metabólico como una posible alternativa al crecimiento como un medio de cambiar la efectividad de una conexión. 2] no hay mención de la retirada de axones de neuronas inactivas. Este segundo aspecto de la teoría ha sido criticado por que solo predice incrementos en la fuerza sináptica. Irónicamente investigación reciente muestra que si la neurona A del postulado de Hebb, en lugar de contribuir a disparar la neurona B, gatilla después que B ha disparado la conexión entre A y B es debilitada, como Hebb originalmente propuso. La figura ilustra un circuito cortical hipotético de Hebb para explicar como su postulado de aprendizaje estaba envuelto en el crecimiento de asambleas celulares.
En 1973 Bliss y Lomo reportaron LTP (long term potentiation) de la transmisión sináptica en neuronas del hipocampo después de estimulación tetánica de vías aferentes. Esto podría ser el resultado de la resistencia sináptica disminuida, pero en 1994 Lin y Glanzman mostraron que si una célula estaba hiperpolarizada para evitar que gatillara durante la estimulación de la vía aferente, no mostraba LTP. Asícerca de una decada después de su muerte, fue confirmado que al menos algunas neuronas se conducían de acuerdo con el postulado neurofisiológico de Hebb.