Os ratos que assistem filmes representam um mistério para os cientistas do cérebro: o que todos esses neurônios estão fazendo?

Jerome Lecoq, do Allen Institute, um dos principais autores de um estudo sobre cérebro e camundongos, trabalha em um dos microscópios de dois fótons que foi usado para registrar a atividade neural em mais de 200 camundongos.(Allen Institute Photo)

Durante anos, os neurocientistas monitoram a atividade cerebral dos ratos enquanto olham para uma ampla gama de imagens - incluindo o clássico nobre do cinema "Touch of Evil" - na esperança de descobririnsights profundos sobre o funcionamento do sistema visual. Agora eles se deparam com um enredo digno do próprio diretor Orson Welles.

Os últimos resultados, relatados hoje na revista Nature Neuroscience por pesquisadores do Allen Institute de Seattlepara a Brain Science e na Universidade de Washington, sugerem que mais de 90% dos neurônios no córtex visual não funcionam da maneira que os cientistas pensavam.

“Pensamos que existem princípios simples segundo os quaisesses neurônios processam informações visuais e esses princípios estão todos nos livros didáticos ”, disse Christof Koch, principal cientista e presidente do instituto cerebral, em comunicado à imprensa."Mas agora que podemos pesquisar dezenas de milhares de células ao mesmo tempo, temos uma imagem mais sutil - e muito mais complicada."

Não que haja algo errado nisso.

“Para mim, esse é o negócio. De certa forma, isso é empolgante ”, disse à GeekWire Michael Buice, investigador associado do Allen Institute e um dos principais autores do estudo."Estamos em um lugar mais interessante do que pensávamos."

Por mais de meio século, os neurocientistas assumiram que conjuntos diferentesdos neurônios responderam a padrões específicos - por exemplo, barras alternadas de luz e escuridão, ou objetos se movendo da esquerda para a direita - e que o cérebro costurou todas essas entradas para produzir uma imagem mental do mundo. Dois pesquisadores de Harvard ganharam o Prêmio Nobel em 1981 por descrever o processo, com base em estudos com gatos.

Nos últimos anos, os experimentos com ratos no Instituto Allen também documentaram o processo. Os pesquisadores montaram uma tela na frente dos ratos e mostraram fotos de padrões abstratos, fotografias de cenas naturais - e filmes. Os três primeiros minutos de "Touch of Evil", filme de Welles de 1958, foram um dos favoritos da equipe de pesquisa porque é uma cena contínua, sem cortes, para confundir os ratos.

Desde 2016, o instituto aumentou seu banco de dados para atividade no córtex visual do mouse de 18.000 neurônios para quase 60.000 neurônios. Como resultado, os pesquisadores do instituto obtiveram uma imagem mais completa do que as células do córtex visual estão fazendo enquanto os ratos estão processando as imagens que estão vendo.

Eles descobriram que a esmagadora maioria das células nãocombinam muito bem com o modelo de livro didático, como visto em gatos e macacos."O número de células em que obtemos esse trabalho nesse sentido 'muito bem' ... dependendo de como você o mede, fica entre 2 e 10% do conjunto de dados - mais próximo de 2", disse Buice.

Aproximadamente 60% dos neurônios mostraram uma resposta confiável que poderia estar associada a estímulos específicos, mas a resposta foi mais especializada do que o modelo do livro teria previsto. Os 30% restantes mostraram alguma atividade, mas não se iluminaram de maneira confiável em resposta a qualquer estímulo do experimento.

Saskia de Vries, do Allen Allen Institute, outro autor principal do estudo, disseo fato de tantos neurônios estarem trabalhando de maneiras misteriosas não significa que os estudos anteriores sobre células cerebrais estavam errados."É que essas células acabam sendo uma fração muito pequena de todos os neurônios do córtex", disse ela.

Os neurocientistas do Instituto Allen Michael Buice e Saskia de Vriessão dois dos principais autores de um estudo recém-publicado que investiga a mecânica do processamento da visão do mouse.(Allen Institute Photo)

Mais experimentos serão necessários para tentar descobrir por que os dados de ratos não coincidem com os de gatos e macacos e decidir se o livro didáticoo modelo terá que ser dramaticamente revisado.

Buice suspeita que parte da razão da diferença possa ter a ver com a maneira como os olhos de diferentes espécies são construídos. Os olhos de macacos, seres humanos e outros primatas têm uma área central da retina conhecida como fóvea, responsável pela visão de foco fino. As retinas de gatos têm uma faixa visual que parece ter uma função semelhante. Mas as retinas de ratos não têm tanta especialização - o que significa que os ratos têm basicamente uma visão 20/2000, muito pior do que a norma 20/20 para humanos.

Os cérebros dos ratos também são mais limitados em sua capacidade de processamento, o que pode exigir que seu sistema visual funcione de uma maneira notavelmente diferente.“Foi programado, se você preferir, pelo desenvolvimento evolutivo para fazer algo muito diferente do que nosso sistema de visão faz”, disse Buice. Buice disse que tais diferenças poderiam explicar o que está acontecendo com os 30% deneurônios que representam um completo mistério. Talvez esses neurônios não tenham sido desencadeados pelos tipos de imagens aos quais estão programados para responder."O que estamos tentando fazer para corrigir isso é fazer outro conjunto de experimentos em que apenas mostramos o máximo de recursos possível", disse ele.

Os resultados podem ter implicações para os cérebros que não sãoFeito de carne e sangue, descobrir os conceitos básicos dos sistemas de visão biológica e como eles diferem em camundongos e seres humanos pode também ajudar os cientistas a construir melhores sistemas de visão baseados em máquinas."Podemos ver o que é comum, no sentido de ter uma computação neural universal, versus o que é específico de uma tarefa", explicou Buice.

Os futuros agentes de IA verão o mundo como um mouse, como um rato?humano vê isso - ou como algo totalmente estranho?Se apenas Orson Welles estivesse por perto para dirigir esse filme… Saskia de Vries, Jerome Lecoq e Michael Buice são os principais autores do estudo publicado pela Nature Neuroscience, “Uma pesquisa fisiológica padronizada em grande escala revela a organização funcional deo Mouse Visual Cortex. ”Christof Koch e R. Clay Reid são os autores seniores. Sessenta e sete outros pesquisadores estão listados como coautores. Uma versão pré-impressa do artigo está disponível gratuitamente via BioRxiv.

Via: Geek Wire