Quando se trata de reconhecer formas, o tempo é tudo

Quando se trata de reconhecer formas, o tempo é tudo

Pesquisadores do Salk Institute mostram como a visão depende de padrões de atividade cerebral

Os cientistas de Salk mostram como os neurônios visuais codificam informações dinâmicas temporais. Anteriormente, pensava-se que os neurônios visuais codificavam informações somando o número de potenciais de ação dentro de uma janela temporal estática. Essa representação é fixa, como a foto de um animal aparentemente prestes a colidir com um carro, acima. A nova pesquisa mostra que os neurônios são mais dinâmicos e capturam muito mais informações ligadas ao tempo, permitindo que eles revelem informações contextuais críticas (análogo a um pequeno vídeo mostrando o mesmo animal voltando e evitando uma colisão de carro, abaixo).

LA JOLLA – Próteses visuais, ou olhos biônicos, logo se tornarão realidade, à medida que os pesquisadores avançam em estratégias para reativar partes do cérebro que processam informações visuais em pessoas afetadas pela cegueira.

Explosões na atividade elétrica de um neurônio – o número de “picos” que resultam quando as células cerebrais disparam – compõem o código básico da percepção, de acordo com o pensamento tradicional. Mas os neurônios constantemente aceleram e desaceleram seus sinais. Um novo estudo dos cientistas do Salk Institute mostra que ser capaz de ver o mundo depende não apenas do número de picos em uma janela de tempo, mas também do tempo desses picos.

“Na visão, verifica-se que há uma enorme quantidade de informações presentes nos padrões de atividade dos neurônios ao longo do tempo”, diz Salk Professor John Reynolds, investigador sênior do estudo e titular da cadeira Fiona e Sanjay Jha em neurociência. “O aumento do poder de computação e os novos avanços teóricos nos permitiram começar a explorar esses padrões.” O estudo foi publicado em 4 de agosto de 2016 na revista Neurônio.

O cérebro humano abriga uma extensa rede de neurônios responsáveis ​​por ver tudo, desde formas simples – com certos grupos de neurônios sendo excitados por uma borda horizontal ou vertical, por exemplo – até estímulos complexos, como rostos ou lugares específicos. A equipe de Reynolds se concentrou em uma área visual do cérebro chamada V4, localizada no meio do sistema visual do cérebro. Os neurônios em V4 são sensíveis aos contornos que definem os limites dos objetos e nos ajudam a reconhecer uma forma independentemente de onde ela esteja no espaço. Mas Reynolds e o pesquisador de pós-doutorado Anirvan Nandy descoberto em 2013 aquele V4 era mais complicado: alguns neurônios na área só se preocupam com contornos dentro de um ponto designado no campo visual.

Essas descobertas levaram a equipe a se perguntar se o código de atividade do V4 poderia ser ainda mais matizado, absorvendo informações visuais não apenas no espaço, mas também no tempo. “Não vemos o mundo à nossa volta como se estivéssemos a olhar para uma série de fotografias. Vivemos – e vemos – em tempo real e nossos neurônios captam isso”, diz Nandy, principal autora do novo artigo.

Os cientistas colaboraram com a teórica de Salk e pesquisadora de pós-doutorado Monika Jadi para criar em código de computador o que chamaram de “observador ideal”. Com acesso apenas aos dados do cérebro, o computador decifraria — ou pelo menos adivinharia — as imagens em movimento que haviam sido vistas. Uma versão do observador ideal tinha acesso ao número de vezes que os neurônios dispararam, enquanto a outra versão tinha acesso ao tempo total dos picos. De fato, o último observador foi capaz de adivinhar as imagens com mais de duas vezes a precisão em comparação com o observador mais básico.

Melhores maneiras de registrar e estimular o cérebro e melhores esforços de modelagem teórica permitiram essas novas descobertas. Agora, o grupo planeja não apenas observar o V4, mas também ativá-lo usando luz por meio de uma técnica de ponta chamada optogenética. Isso, diz Reynolds, é como dar uma volta no sistema visual. Isso os ajudará a entender melhor a relação entre os padrões de atividade dos neurônios e como o cérebro percebe o mundo, potencialmente lançando as bases para próteses visuais mais avançadas.

A pesquisa foi apoiada pelo National Institutes of Health, Fundação de caridade de Gatsby, Fundação Swartz e o Salk Institute Pioneer Fund. O estudo também é de autoria de Jude Mitchell, ex-Salk e agora professor assistente de cérebro e ciências cognitivas na Universidade de Rochester em Nova York.