Qual lado é qual?: Como o cérebro percebe as fronteiras

Qual lado é qual?: Como o cérebro percebe as fronteiras

Cientistas da Salk descobriram que os neurônios nas profundezas do córtex cerebral são os primeiros a calcular qual lado de uma borda visual é um objeto e qual lado é o fundo

LA JOLLA—Na clássica ilusão de ótica do “vaso de Rubin”, você pode ver um vaso curvilíneo elaborado ou duas faces, narizes quase se tocando. A qualquer momento, qual cena você percebe depende se o seu cérebro está vendo a forma do vaso central como o primeiro plano ou o fundo da imagem.

Agora, prof. John Reynolds e o bolsista sênior de pós-doutorado Tom Franken avançaram na compreensão de como o cérebro decide qual lado de uma borda visual é um objeto de primeiro plano e qual é o plano de fundo. A pesquisa, publicada em 30 de novembro de 2021 na revista eLife, lança luz sobre como as áreas do cérebro se comunicam para interpretar informações sensoriais e construir uma imagem do mundo ao nosso redor.

“A maneira como o cérebro organiza e gera uma representação do mundo exterior ainda é uma das maiores incógnitas da neurociência hoje”, diz Reynolds, titular da cadeira Fiona e Sanjay Jha em neurociência. “Nossa pesquisa fornece informações importantes sobre como o cérebro processa as fronteiras, o que pode levar a uma melhor compreensão das condições psiquiátricas em que a percepção é interrompida, como na esquizofrenia”.

Quando você vê uma cena à sua frente, neurônios individuais no córtex cerebral recebem informações sobre uma região minúscula da cena. Os neurônios que recebem informações da borda de um objeto, portanto, têm pouco contexto inicial sobre qual lado está em primeiro plano. No entanto, os cientistas descobriram anteriormente um conjunto de células que sinalizam muito rapidamente qual lado da borda pertence ao objeto (“propriedade da borda”); afinal, a percepção de profundidade e a capacidade de identificar objetos à sua frente são essenciais para a sobrevivência - isso é um meio-fio ou uma sombra, uma rocha ou uma caverna?

Exatamente como esses neurônios no cérebro calculam a propriedade da fronteira não está claro. Alguns cientistas levantaram a hipótese de que, à medida que as informações do olho passam pelo cérebro, em áreas sucessivamente mais a jusante (mais profundas), ocorrem computações adicionais em cada área até que seu cérebro construa um modelo da cena visual. Isso é chamado de caminho “feedforward”. Mas outros cientistas levantaram a hipótese da importância da via de “feedback”, na qual as áreas a jusante do cérebro devem primeiro processar informações e depois enviar essas pistas de volta aos neurônios nas áreas a montante, para ajudá-los a descobrir a propriedade da fronteira.

Reynolds e Franken decidiram determinar qual hipótese estava correta. Eles usaram eletrodos para registrar a atividade dos neurônios em diferentes camadas do córtex cerebral enquanto os animais visualizavam a imagem de um objeto quadrado em um fundo branco. Os cientistas primeiro determinaram quais neurônios em particular estavam processando informações de uma pequena parte da borda que demarca o quadrado e o fundo; então eles mediram o tempo dos sinais de propriedade de borda nesses neurônios e compararam isso com neurônios em diferentes camadas.

“O que descobrimos é que os primeiros sinais sobre a propriedade da fronteira ocorrem em neurônios nas camadas profundas do córtex cerebral”, diz Franken, que é médico-cientista e recebe o prêmio K99 Pathway to Independence do National Institutes of Health. “Isso apóia a importância do caminho de feedback para decifrar fronteiras, porque as conexões de feedback chegam e saem de neurônios em camadas profundas”.

Os pesquisadores também observaram que neurônios empilhados verticalmente em diferentes camadas do córtex tendiam a compartilhar a mesma preferência de propriedade de borda. Por exemplo, certas colunas de neurônios preferem cenas em que o lado esquerdo de uma borda é o objeto, enquanto outras colunas de neurônios preferem cenas em que o lado direito de uma borda é o objeto. Franken explica que essas descobertas sugerem que o feedback pode realmente ser organizado de maneira sistemática, um caminho promissor para pesquisas futuras.

“À medida que entendemos a arquitetura do cérebro e como conjuntos de neurônios se comunicam entre si para construir nossa representação interna do mundo externo, estamos melhor posicionados para desenvolver ferramentas de diagnóstico e tratamentos para distúrbios cerebrais nos quais essas representações internas são distorcida, como a esquizofrenia”, diz Franken. “As alucinações e delírios associados à esquizofrenia podem estar associados às interrupções dos ciclos de feedforward-feedback”.

Em seguida, Franken dará continuidade a esses resultados com experimentos para investigar como as informações transmitidas por feedback contribuem para o processamento de bordas.

O trabalho foi apoiado por doações da Fundação George E. Hewitt para Pesquisa Médica, um NARSAD Young Investigator Grant da Brain & Behavior Research Foundation e do National Eye Institute dos National Institutes of Health.

DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.72573