O que o cérebro viu

30 de março de 2011

O que o cérebro viu

30 de março de 2011

LA JOLLA, CA—No momento em que abrimos os olhos, percebemos o mundo com aparente facilidade. Mas a questão de como os neurônios da retina codificam o que “vemos” tem sido complicada. Um obstáculo fundamental para a compreensão de como nosso cérebro funciona é que seus componentes - neurônios - respondem de maneiras altamente não lineares a estímulos complexos, tornando as relações estímulo-resposta extremamente difíceis de discernir.

Agora, uma equipe de físicos do Salk Institute for Biological Studies desenvolveu uma estrutura matemática geral que otimiza o uso de medições limitadas, aproximando-os um pouco mais da decifração da “linguagem do cérebro”. A abordagem, descrita na edição atual do Biblioteca Pública de Ciências, Biologia Computacional, revela pela primeira vez que apenas informações sobre pares de padrões de estímulo temporal são retransmitidas ao cérebro.

As distribuições de pico para neurônios que respondem a dois recursos podem ter formas difíceis de entender.

Imagem: Cortesia da Dra. Tatyana Sharpee, Salk Institute for Biological Studies

“Ficamos surpresos ao descobrir que as combinações de estímulos de ordem superior não foram codificadas, porque são tão prevalentes em nosso ambiente natural”, diz o líder do estudo. Tatiana Sharpe, Ph.D., professor assistente no Laboratório de Neurobiologia Computacional e titular da Cadeira de Desenvolvimento Helen McLorraine em Neurobiologia. “Os humanos são bastante sensíveis a mudanças em combinações de ordem superior de padrões espaciais. Descobrimos que não é o caso de padrões temporais. Isso destaca uma diferença fundamental nos aspectos espaciais e temporais da codificação visual”.

O rosto humano é um exemplo perfeito de uma combinação de ordem superior de padrões espaciais. Todos os componentes - olhos, nariz, boca - têm relações espaciais muito específicas entre si, e nem mesmo Picasso, em seu período cubista, poderia jogar fora as regras completamente.

Nossos olhos captam o ambiente visual e transmitem informações sobre componentes individuais, como cor, posição, forma, movimento e brilho para o cérebro. Neurônios individuais na retina ficam excitados com certas características e respondem com um sinal elétrico, ou pico, que é transmitido aos centros visuais do cérebro, onde as informações enviadas por neurônios com diferentes preferências são reunidas e processadas.

Para eventos sensoriais simples – como acender uma luz, por exemplo – o brilho se correlaciona bem com a probabilidade de pico em uma célula sensível à luminância na retina. “No entanto, ao longo da última década, tornou-se evidente que os neurônios realmente codificam informações sobre vários recursos ao mesmo tempo”, diz o aluno de pós-graduação e primeiro autor Jeffrey D. Fitzgerald.

Exemplo do estímulo de luz oscilante apresentado durante o experimento.

Filme: cortesia da Dra. Tatyana Sharpee, Salk Institute for Biological Studies

“Até agora, a maior parte do trabalho foi focada em identificar os recursos aos quais a célula responde”, diz ele. “A questão de que tipo de informação sobre esses recursos a célula está codificando foi ignorada. As medições diretas das relações estímulo-resposta muitas vezes produziam formas estranhas [veja a Figura 1, por exemplo], e as pessoas não tinham uma estrutura matemática para analisá-las”.

Para superar essas limitações, Fitzgerald e seus colegas desenvolveram o chamado modelo mínimo das relações não lineares dos sistemas de processamento de informações, maximizando uma quantidade conhecida como entropia de ruído. O último descreve a incerteza sobre a probabilidade de um neurônio disparar em resposta a um estímulo.

Quando Fitzgerald aplicou essa abordagem a gravações de neurônios visuais sondados com filmes oscilantes, que o co-autor Lawrence Sincich e Jonathan Horton da Universidade da Califórnia, em São Francisco, haviam feito, ele descobriu que, em média, as correlações de primeira ordem representavam 78 por cento da informação codificada, enquanto as correlações de segunda ordem representam mais de 92 por cento. Assim, o cérebro recebeu muito pouca informação sobre correlações superiores à segunda ordem.

“Sistemas biológicos em todas as escalas, de moléculas a ecossistemas, podem ser considerados processadores de informações que detectam eventos importantes em seu ambiente e os transformam em informações acionáveis”, diz Sharpee. “Portanto, esperamos que essa maneira de ‘focalizar’ os dados, identificando relações estímulo-resposta críticas e altamente informativas, seja útil em outras áreas da biologia de sistemas”.

O trabalho foi financiado em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde, o Searle Scholar Program, o Alfred P. Sloan Fellowship, o WM Keck Research Excellence Award e o Ray Thomas Edwards Career Development Award em Ciências Biomédicas.

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das mais proeminentes instituições de pesquisa básica do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.