¿Pueden aprender matemáticas los insectos?

La revista Science Advances publica hoy los resultados de una investigación que muestra que las abejas europeas son capaces de usar representaciones simbólicas para resolver operaciones matemáticas simples como sumas y restas.

A pesar de poseer un cerebro con poco menos de un millón de neuronas, estos insectos son capaces de resolver problemas complejos como la comprensión del concepto de cero.

Las abejas son un gran modelo para investigar en neurociencia. Por eso en nuestro mas reciente experimento decidimos probar la capacidad de este insecto para resolver operaciones aritméticas simples.

Sumas y restas

De niños aprendemos que el símbolo más (+) significa que debemos sumar dos o más cantidades, mientras que el símbolo menos (-) indica que debemos sustraerlas. Para resolver este tipo de problemas, necesitamos usar nuestra memoria a corto y a largo plazo. Una vez hemos aprendido y almacenado las reglas de adición y sustracción en nuestra memoria a largo plazo, la memoria a corto plazo nos permite manejar las cantidades involucradas en cada operación que realizamos.

A pesar de que no es fácil resolver operaciones aritméticas como sumar y restar, esta habilidad ha sido fundamental para las sociedades humanas. Por ejemplo, la evidencia arqueológica muestra que los egipcios y babilonios ya usaban operaciones aritméticas alrededor del año 2000 a.C.. Estas habrían sido útiles para contar ganado y recalcular el número de cabezas restantes después de una venta.

Uno podría preguntarse si el desarrollo del pensamiento aritmético requiere un cerebro tan grande como el que poseemos los primates o si otros animales también son capaces de realizar operaciones aritméticas cuando se enfrentan a problemas similares. Hemos intentado responder a esa pregunta usando como modelo a la abeja europea.

¿Cómo se entrena una abeja?

Las abejas son forrajeadoras centrales, lo que significa que una obrera volverá al mismo sitio siempre y cuando exista una fuente de alimento. Usamos una solución concentrada de azúcar durante todo el experimento para asegurarnos que regresaran de manera continúa.

Cada vez que una abeja escogía el número correcto (ver detalles más adelante) recibía una recompensa de agua azucarada. Por el contrario, si la abeja realizaba una elección equivocada, recibía un castigo en forma de una solución amarga hecha a base de quinina.

En nuestro experimento utilizamos este sencillo método para enseñar a las abejas a sumar o restar durante sesiones de cuatro a siete horas por individuo. Cada vez que una abeja se saciaba con la solución azucarada, regresaba a la colmena y más tarde volvía para continuar con el entrenamiento.

Las abejas fueron entrenadas de manera individual con un laberinto en forma de Y (ver figura abajo). Durante el experimento, los insectos volaban hasta la entrada, donde veían un grupo de entre uno y cinco elementos. Estos representaban formas geométricas (por ejemplo, un cuadrado) que podían ser de dos colores diferentes según la operación aritmética a entrenar: azul para sumar un elemento (+ 1) o amarillo para restarlo (- 1).

A partir de esta información, la abeja tenía que volar a través de un orificio hacia la cámara de decisiones, donde debía escoger uno de los brazos del laberinto. Un brazo contenía un elemento más del visto en la entrada y el otro uno menos. En cada ronda del experimento el animal tenía que escoger el brazo hacia el cual debería volar según el número inicial de objetos vistos a la entrada y la operación para la cual estaba siendo entrenada.

La posición del grupo correcto se cambiaba aleatoriamente en el laberinto, para evitar que las abejas relacionaran uno de los lados con la respuesta correcta. Al comienzo del experimento, las abejas escogían al azar el brazo del laberinto al cual se dirigían. Después de cien ensayos aprendieron a escoger la solución correcta al problema.

Al terminar el entrenamiento, les presentamos a las abejas un número de elementos que nunca habían visto. Las abejas escogieron la respuesta correcta entre el 64 y el 72 % de las veces. Esta proporción es estadísticamente diferente a lo que se esperaría si hubieran elegido las respuestas al azar. Por lo tanto, los insectos de nuestra escuela de abejas aprendieron a usar operadores aritméticos para sumar y restar.

¿Por qué es esto difícil para las abejas?

Sumar y restar es difícil porque requiere procesar la información a dos niveles y de manera simultánea. Por un lado, la comprensión de los atributos numéricos; por el otro, su manipulación para operar.

Las abejas también usaron su memoria a corto plazo. Como el número 1 a ser sumado o restado no estaba presente al realizar la operación, los insectos tuvieron que aprender este concepto abstracto durante el entrenamiento.

Al demostrar que las abejas pueden combinar un aprendizaje aritmético y simbólico simple, identificamos nuevas áreas del conocimiento para explorar, como, por ejemplo, la capacidad de otros animales para sumar o restar.

Inteligencia artificial y neurobiología

La inteligencia artificial y cómo los ordenadores pueden aprender a resolver nuevos problemas de manera autónoma son dos temas de gran interés en la actualidad.

Nuestros descubrimientos muestran que cerebros pequeños son capaces de aprender operadores aritméticos simbólicos, lo que sugiere nuevas maneras de incorporar interacciones entre la memoria a corto y largo plazo, para así reducir los tiempos de aprendizaje en los sistemas de inteligencia artificial.

Asimismo, nuestros resultados demuestran que hay varias maneras de entender los símbolos matemáticos como un lenguaje de operadores. Esto podría ayudar a entender cómo diferentes culturas desarrollaron de manera independiente habilidades numéricas.

Scarlett Howard, PhD candidate, RMIT University; Adrian Dyer, Associate Professor, RMIT University y Jair Garcia, Research fellow, RMIT University

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.