Modulación de Tiempo Variable de la Elicitación
de la Conducta de Captura de Presas en los Anfibios Anuros
(concluida)
Luis Roberto Flores Castillo


Este trabajo está situado en la interfaz entre el estudio de sistemas biológicos y el desarrollo de sistemas de procesamiento de información. A partir del estudio de un sistema biológico, y tomando como base el trabajo de Cervantes y Arbib [1990], se sintetiza un circuito neuronal y se analiza su comportamiento, finalmente, el trabajo desemboca en la propuesta de un mecanismo de aprendizaje basado en la activación y desaparición de señales de forzamiento.

Antecedentes

Los modelos de RNA pueden estudiarse como sistemas dinámicos desde dos perspectivas diferentes:

  1. Atendiendo a su dinámica de activación, mientras se mantienen constantes los pesos, umbrales y entradas externas,
  2. Puede estudiarse la dinámica de cambio de pesos de la red, como el proceso que permite establecer el patrón de conectividad apropiado para resolver un problema específico.

Estos procesos ocurren en escalas de tiempo muy diferentes, siendo la primera mucho más rápida que la segunda. Ambas perspectivas permiten estudiar una gran parte del comportamiento de los sistemas de redes neuronales; sin embargo, existe una tercera, a la que puede denominarse Modulación de Tiempo Variable (MTV), que permite modificar la dinámica de activación por medio de la acción de un sistema externo, cuya función es incorporar la información relacionada con la "experiencia" del modelo (aprendizaje).

A diferencia de la dinámica de cambio de pesos, en la que las entradas externas se mantienen constantes y se modifica únicamente el patrón de conexión de la red, en la modulación de tiempo variable los pesos se mantienen constantes. Cuando se modifica el valor de alguna (o algunas) de las señales de entrada, una red moduladora modifica la acción de la red principal. La escala de tiempo en la que se lleva a cabo esta modificación puede ser similar a la de la red principal (en cuyo caso puede considerarse como parte de ésta), o mucho más lenta, modificando así su comporamiento de manera apreciable. De esta forma, la MTV puede constituir un mecanismo intermedio entre la dinámica de activación y la dinámica de cambio de pesos.

Objetivo general

El objetivo de este trabajo es aplicar el concepto de MTV al modelo de la Columna de Facilitación Tectal (CFT), propuesto por Lara y cols. [Lara, 1982; Cervantes-Pérez, 1985] para el estudio de las bases neuronales de la conducta de captura de presas en los anfibios. Las propiedades computacionales del modelo se exploran mediante el análisis de sus propiedades dinámicas utilizando técnicas de análisis cualitativo (véanse, por ejemplo, [Cervantes-Pérez, 1990] y [Herrera-Becerra,1990]).

Objetivos particulares

Los objetivos específicos que se persiguen en el trabajo son los siguientes:

1. Generar un modelo de la interacción Retina-Tectum-Pretéctum en los anfibios anuros que:

a) Reproduzca los datos experimentales asociados con la elicitación de la conducta de captura de presas; en particular el fenómeno de facilitación;

b) Incorpore un parámetro de modulación que permita estudiar el efecto de la MTV sobre el sistema.

2. Utilizar el modelo resultante para explorar el efecto de los cambios en el parámetro de modulación sobre la salida del circuito, y proponer un modelo neuronal que dé cuenta del fenómeno de habituación.

Alcances

La aplicación de la MTV a la CFT se hace con un doble a fin: por un lado, el de sugerirla como una posible explicación del fenómeno de Habituación Estímulo-Específica (stimulus-specific habituation) y, por otro, el de explorar su empleo como mecanismo de control de sistemas neuronales.

La utilidad de este trabajo para la ingeniería neuronal radica en la propuesta de incorporar un mecanismo para regular la actividad de un sistema de procesamiento distribuido y en paralelo con base en la actividad de otra estructura, y no mediante la modificación de características del modelo.

Contenido

El documento está dividido en cuatro secciones. La primera tiene el propósito de dar una visión global del contexto en el que se sitúa el trabajo, así como los elementos necesarios para comprender sus objetivos generales.

El capítulo 1, el sistema visuomotor de los anfibios, consiste en una revisión de los datos neuroanatómicos y neurofisiológicos relacionados con la elicitación de conductas de captura de presas y de huida; principalmente los empleados para el desarrollo de los modelos propuestos.

El capítulo 2, Sistema de clasificación, se describe el modelo propuesto: la Columna de Facilitación Tectal de cuatro elementos (CFT4). Se hace una revisión de los datos conductuales y fisiológicos, reportados por Ingle [1975], se describe el modelo de Cervantes-Pérez y Arbib [1990] y se presenta el modelo que se utilizará para el análisis de modulación (CFT4); se determinan las condiciones que deben cumplirse entre los valores de sus parámetros a fin de que despliegue el patrón conductual observado, y se muestra que reproduce cualitativamente el comportamiento observado por Ingle.

Estructura del modelo propuesto para la Columna de Facilitación Tectal. El pretéctum se considera como una unidad externa cuya actividad (I), junto con la actividad base de la retina (S), genera una entrada que modula el comportamiento del circuito, de manera que la respuesta de la columna puede ser diferente para dos estímulos (R) idénticos.

En el siguiente capítulo, Aprendizaje, se presentan los resultados experimentales reportados por Cervantes et. al. [1991] acerca del fenómeno de habituación, y se propone una modificación al modelo de la Columna de Habituación propuesto por Lara y Arbib [1985] que, se postula, afecta el comportamiento de la columna tectal mediante una señal de forzamiento que regula la dinámica de activación del circuito.

Modelo neuronal de la columna de habituación.

En el capítulo 4, Modulación, se estudia el comportamiento de la CFT4 al variar el parámetro de modulación. En particular, se observa el efecto sobre:

  1. La posición de los puntos de equilibrio.
  2. La respuesta de estado estable del sistema.
  3. La dinámica temporal cuando se estimula la CFT4 con una entrada específica.
  4. Las características del fenómeno de facilitación.

Finalmente, en el capítulo de Conclusiones se enuncian los resultados obtenidos y se plantea su interpretación desde el punto de vista de las Neurociencias.

Referencias

Cervantes-Pérez, F. y Arbib, M.A. (1990). Stability and Parameter Dependency Analyses of a Facilitation Tectal Column (FTC) Model. J. Math. Biol., 29: 1-32.

Cervantes-Pérez, F. y Herrera-Becerra, A., Carrillo-Calvet, H. (1991). Modulation of Neural Nets Activation Dynamics. Departamento de Matemáticas, Fac. Ciencias, UNAM. Reporte interno.

Cervantes-Pérez, F.; Guevara-Pozas, A.D. y Herrera-Becerra, A. (1991). Modulation of Prey-Catching Behavior in Toads: Data and Modeling. En Visual Structures and Integrated Functions, Arbib, M.A., y Ewert, J.P. (eds.), Berlín, Springer-Verlag, pp. 397-415.

Herrera-Becerra, A.; Cervantes-Pérez, F. y Carrillo, H. (1990). Análisis del comportamiento dinámico de redes neuronales. En Iberamia 90, memorias del 2º Congreso Iberoamericano de Inteligencia Artificial. México: Limusa-Noriega, pp. 793-809.

Cervantes-Pérez, F.; Lara, R. y Arbib, M.A. (1985). A neural model of interactions subserving prey-predator discrimination and size preference in anuran amphibia. J. Theor. Biol., 113: 117-152.

Ingle, D.J. (1975) Focal attention in the frog behavioral and physiological correlates. Science, 180: 442-444.

Lara, R.; Arbib, M.A. (1982). A neural model of interaction between pretectum and tectum in prey selection. Cognition and Brain Theory 5:149-171.

Lara, R.; Arbib, M.A. (1985). A model of the neural mechanisms responsible for pattern recognition and stimulus specific habituation in toads. Biological Cibernetics, 51: 223-237.


Si quieres mayor información acerca de este trabajo, puedes solicitarla a Luis Roberto Flores, o al doctor Francisco Cervantes Pérez.