Cientistas ajudam a explicar a notável capacidade do sistema visual de reconhecer objetos complexos

Cientistas ajudam a explicar a notável capacidade do sistema visual de reconhecer objetos complexos

Dois estudos de Salk abrem caminho para um melhor reconhecimento de objetos de computador e futuras terapias para distúrbios visuais

LA JOLLA, CA—Como é possível para um olho humano descobrir letras que são torcidas e enroladas em direções malucas, como aquelas no pequeno teste de segurança que os usuários da Internet costumam fazer em sites?

Parece fácil para nós - o cérebro humano simplesmente faz isso. Mas a aparente simplicidade dessa tarefa é uma ilusão. A tarefa é realmente tão complexa que ninguém foi capaz de escrever um código de computador que traduza essas letras distorcidas da mesma forma que as redes neurais. É por isso que esse teste, chamado CAPTCHA, é usado para distinguir uma resposta humana de bots de computador que tentam roubar informações confidenciais.

Agora, uma equipe de neurocientistas do Instituto Salk de Estudos Biológicos assumiu o desafio de explorar como o cérebro realiza essa tarefa notável. Dois estudos publicados com poucos dias um do outro demonstram como uma tarefa visual decodificando um CAPTCHA, ou qualquer imagem feita de elementos simples e intrincados, é realmente complexa para o cérebro.

Os resultados dos dois estudos, publicados em 19 de junho de 2013, na Neurônio e 24 de junho de 2013, no Procedimentos da Academia Nacional de Ciências (PNAS), dar dois passos importantes na compreensão da visão e reescrever o que se acreditava ser ciência estabelecida. Os resultados mostram que o que os neurocientistas achavam que sabiam sobre uma peça do quebra-cabeça era simples demais para ser verdade.

A partir da esquerda: John Reynolds, Anirvan Nandy e Tatyana Sharpee

Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

Sua pesquisa profunda e detalhada – envolvendo gravações de centenas de neurônios – também pode ter futuras implicações clínicas e práticas, dizem os coautores seniores do estudo, neurocientistas da Salk. Tatiana Sharpe e John Reynolds.

“Entender como o cérebro cria uma imagem visual pode ajudar os humanos cujos cérebros estão funcionando mal de várias maneiras diferentes – como pessoas que perderam a capacidade de ver”, diz Sharpee, professor associado do Laboratório de Neurobiologia Computacional. “Uma maneira de resolver esse problema é descobrir como o cérebro – não o olho, mas o córtex – processa informações sobre o mundo. Se você tiver esse código, poderá estimular diretamente os neurônios no córtex e permitir que as pessoas vejam”.

Reynolds, professor da Laboratório de Neurobiologia de Sistemas, diz que um benefício indireto de entender como o cérebro funciona é a possibilidade de construir sistemas de computador que possam agir como humanos.

“A razão pela qual as máquinas são limitadas em sua capacidade de reconhecer coisas no mundo ao nosso redor é que realmente não entendemos como o cérebro faz isso tão bem”, diz ele.

Os cientistas enfatizam que esses são objetivos de longo prazo que eles estão se esforçando para alcançar, um passo de cada vez.

Integrando partes em todos

Nesses estudos, os neurobiólogos de Salk procuraram descobrir como uma parte do córtex visual conhecida como área V4 é capaz de distinguir entre diferentes estímulos visuais, mesmo quando os estímulos se movem no espaço. V4 é responsável por uma etapa intermediária no processamento neural de imagens.

“Os neurônios do sistema visual são sensíveis às regiões do espaço – eles são como pequenas janelas para o mundo”, diz Reynolds. “Nos estágios iniciais do processamento, essas janelas – conhecidas como campos receptivos – são pequenas. Eles só têm acesso a informações dentro de uma região restrita do espaço. Cada um desses neurônios envia sinais cerebrais que codificam o conteúdo de uma pequena região do espaço – eles respondem a elementos minúsculos e simples de um objeto, como uma borda orientada no espaço ou uma pequena mancha de cor”.

Os neurônios em V4 têm um campo receptivo maior que também pode calcular formas mais complexas, como contornos. Eles conseguem isso integrando entradas de áreas visuais anteriores no córtex – isto é, áreas mais próximas da retina. Essas áreas de estágio inicial têm pequenos campos receptivos e enviam informações para regiões de processamento de nível superior que nos permitem ver imagens complexas, como rostos.

Ambos os novos estudos investigaram a questão da invariância da tradução – a capacidade de um neurônio de reconhecer o mesmo estímulo dentro de seu campo receptivo, não importa onde ele esteja no espaço, onde caia dentro do campo receptivo.

O método da Neurônio O artigo analisou a invariância de tradução analisando a resposta de 93 neurônios individuais em V4 a imagens de linhas e formas como curvas, enquanto o PNAS O estudo analisou as respostas dos neurônios V4 a cenas naturais cheias de contornos complexos.

O dogma no campo é que todos os neurônios V4 exibem invariância de tradução.

“O entendimento aceito é que os neurônios individuais são sintonizados para reconhecer o mesmo estímulo, não importa onde ele esteja em seu campo receptivo”, diz Sharpee.

Por exemplo, um neurônio pode responder a um bit da curva do número 5 em uma imagem CAPTCHA, não importando como o 5 esteja situado em seu campo receptivo. Os pesquisadores acreditavam que a invariância da tradução neuronal – a capacidade de reconhecer qualquer estímulo, não importa onde ele esteja no espaço – aumenta à medida que uma imagem sobe na hierarquia do processamento visual.

“Mas o que ambos os estudos mostram é que há mais na história”, diz ela. “Há uma troca entre a complexidade do estímulo e o grau em que a célula pode reconhecê-lo enquanto se move de um lugar para outro.”

Um mistério mais profundo a ser resolvido

Os pesquisadores de Salk descobriram que os neurônios que respondem a formas mais complicadas – como a curva em 5 ou em uma rocha – demonstraram diminuição da invariância de tradução. “Eles precisam que essa curva complicada esteja em uma faixa mais restrita para que possam detectá-la e entender seu significado”, diz Reynolds. “As células que preferem essa forma complexa ainda não têm a capacidade de reconhecer essa forma em todos os lugares.”

Por outro lado, os neurônios em V4 sintonizados para reconhecer formas mais simples, como uma linha reta no número 5, aumentaram a invariância de tradução. “Eles não se importam com a localização dos estímulos aos quais estão sintonizados, desde que estejam dentro de seu campo receptivo”, diz Sharpee.

“Estudos anteriores de reconhecimento de objetos assumiram que as respostas neuronais em estágios posteriores do processamento visual permanecem as mesmas, independentemente das transformações visuais básicas da imagem do objeto. Nosso estudo destaca onde essa suposição falha e sugere mecanismos simples que podem dar origem à seletividade de objetos”, diz Jude Mitchell, um cientista de pesquisa da Salk que foi o autor sênior do estudo. Neurônio papel.

“É importante que os resultados dos dois estudos sejam bastante compatíveis entre si, que o que encontramos estudando apenas linhas e curvas em um primeiro experimento corresponda ao que vemos quando o cérebro experimenta o mundo real”, diz Sharpee, que é bem conhecido pelo desenvolvimento de um método computacional para extrair respostas neurais de imagens naturais.

“O que isso nos diz é que há um mistério mais profundo aqui a ser resolvido”, diz Reynolds. “Não descobrimos como a invariância de tradução é alcançada. O que fizemos foi descompactar parte do maquinário para alcançar a integração das partes no todo.”

Minjoon Kouh, ex-bolsista de pós-doutorado no Salk, participou do PNAS estudar. O pesquisador de pós-doutorado da Salk, Anirvan Nandy, e o cientista sênior Jude Mitchell, do Salk Systems Neurobiology Laboratory, foram coautores do Neurônio papel.

Ambos os estudos foram financiados por doações do National Institutes of Health (R01EY019493), a Bolsa McKnight e o Ray Thomas Edwards e Fundações WM Keck. Além disso, o PNAS estudo recebeu uma bolsa da Searle Funds. O Neurônio estudo foi adicionalmente financiado por doações do Fundação Alfred P. Sloan, os Institutos Nacionais de Saúde (EY0113802), o Fundação de caridade de Gatsby e Fundação Swartze uma bolsa de pós-doutorado do Pioneer Fund.

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.