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Os cientistas descobrem que a visão está relacionada ao movimento
Os pesquisadores descrevem dois conjuntos de padrões relacionados ao movimento no córtex visual que são baseados no movimento da cabeça e se um animal está na luz ou no escuro.
Por Juan Siliezar - 12/08/2020


Pixabay

Para ter uma visão melhor do mundo ao seu redor, os animais estão em movimento constante. Primatas e pessoas usam movimentos oculares complexos para focalizar sua visão (como os humanos fazem ao ler, por exemplo); pássaros, insetos e roedores fazem o mesmo movendo suas cabeças e podem até estimar distâncias dessa maneira. No entanto, como esses movimentos atuam nos circuitos elaborados de neurônios que o cérebro usa para "ver" é amplamente desconhecido. E pode ser uma área de problema potencial, pois os cientistas criam redes neurais artificiais que imitam como a visão funciona em carros autônomos.

Para entender melhor a relação entre movimento e visão, uma equipe de pesquisadores de Harvard analisou o que acontece em uma das regiões primárias do cérebro para analisar imagens quando os animais estão livres para vagar naturalmente. Os resultados do estudo, publicado terça-feira na revista Neuron , sugerem que os circuitos de processamento de imagem no córtex visual primário não só são mais ativos quando os animais se movem, mas que recebem sinais de uma região do cérebro que controla o movimento que é independente da região que processa o que o animal está olhando. Na verdade, os pesquisadores descrevem dois conjuntos de padrões relacionados ao movimento no córtex visual que são baseados no movimento da cabeça e se um animal está na luz ou no escuro.

As descobertas relacionadas ao movimento foram inesperadas, uma vez que a visão tende a ser pensada como um sistema de computação feed-forward no qual a informação visual entra pela retina e viaja em circuitos neurais que operam em um caminho de mão única, processando a informação peça por peça . O que os pesquisadores viram aqui é mais evidência de que o sistema visual tem muito mais componentes de feedback, onde a informação pode viajar em direções opostas do que se pensava.

Esses resultados oferecem um vislumbre de como a atividade neural funciona em uma região sensorial do cérebro e se somam a um crescente corpo de pesquisas que está reescrevendo o modelo didático de visão no cérebro.

"Foi realmente surpreendente ver esse tipo de informação [relacionada ao movimento] no córtex visual porque tradicionalmente as pessoas pensavam no córtex visual como algo que apenas processa imagens", disse Grigori Guitchounts, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Neurobiologia de Harvard Faculdade de Medicina e principal autor do estudo. "Foi misterioso, a princípio, por que essa região sensorial teria essa representação dos tipos específicos de movimentos que o animal estava fazendo."

Embora os cientistas não tenham sido capazes de dizer definitivamente por que isso acontece, eles acreditam que tem a ver com a forma como o cérebro percebe o que está ao seu redor.
 
"A explicação modelo para isso é que o cérebro de alguma forma precisa coordenar a percepção e a ação", disse Guitchounts. "Você precisa saber quando uma entrada sensorial é causada por sua própria ação, ao contrário de quando é causada por algo lá fora no mundo."

Para o estudo, Guitchounts se uniu ao ex-Professor do Departamento de Biologia Molecular e Celular David Cox, ex-aluno Javier Masis, MA '15, Ph.D. '18, e o pesquisador de pós-doutorado Steffen BE Wolff. O trabalho começou em 2017 e terminou em 2019, enquanto Guitchounts era um pesquisador graduado no laboratório de Cox. Uma versão pré-impressa do jornal publicada em janeiro.

A configuração típica de experimentos anteriores de visão funcionava assim: animais, como ratos ou macacos, eram sedados, contidos de forma que suas cabeças ficassem em posições fixas e recebiam estímulos visuais, como fotografias, para que os pesquisadores pudessem ver quais neurônios no cérebro reagiram . A abordagem foi iniciada pelos cientistas de Harvard David H. Hubel e Torsten N. Wiesel na década de 1960 e, em 1981, eles ganharam um Prêmio Nobel de medicina por seus esforços. Muitos experimentos desde então seguiram seu modelo, mas ele não iluminou como o movimento afeta os neurônios que analisam.

Os pesquisadores deste último experimento queriam explorar isso, então observaram 10 ratos andando por seus dias e noites. Os cientistas colocaram cada rato em um cercado, que também serviu de lar, e registraram continuamente os movimentos da cabeça. Usando eletrodos implantados, eles mediram a atividade cerebral no córtex visual primário à medida que os ratos se moviam.

Metade das gravações foi feita com as luzes acesas. A outra metade foi gravada na escuridão total. Os pesquisadores queriam comparar o que o córtex visual estava fazendo quando havia entrada visual e quando não havia. Para ter certeza de que o quarto estava escuro como breu, eles taparam qualquer fenda que pudesse permitir a entrada de luz, já que os ratos têm uma visão notoriamente boa à noite.

Os dados mostraram que, em média, os neurônios do córtex visual dos ratos eram mais ativos quando os animais se moviam do que quando descansavam, mesmo no escuro. Isso pegou os pesquisadores desprevenidos: em uma sala totalmente escura, não há dados visuais para processar. Isso significava que a atividade vinha do córtex motor, não de uma imagem externa.

A equipe também notou que os padrões neurais no córtex visual que disparavam durante o movimento diferiam no escuro e na luz, o que significa que não estavam diretamente conectados. Alguns neurônios que estavam prontos para serem ativados no escuro estavam em uma espécie de modo de espera na luz.

Usando um algoritmo de aprendizado de máquina, os pesquisadores codificaram os dois padrões. Isso permitiu que eles não apenas soubessem para que lado um rato estava movendo sua cabeça apenas olhando para a atividade neural em seu córtex visual, mas também previam o movimento várias centenas de milissegundos antes que o rato o fizesse.

Os pesquisadores confirmaram que os sinais de movimento vinham da área motora do cérebro, concentrando-se no córtex motor secundário. Eles o destruíram cirurgicamente em vários ratos e depois realizaram os experimentos novamente. Os ratos nos quais essa área do cérebro foi lesada não emitiram mais sinais no córtex visual. No entanto, os pesquisadores não foram capazes de determinar se o sinal se origina no córtex motor secundário . Só pode ser por onde passa, disseram.

Além disso, os cientistas apontaram algumas limitações em suas descobertas. Por exemplo, eles mediram apenas o movimento da cabeça e não mediram o movimento dos olhos . O estudo também é baseado em roedores, que são noturnos. Seus sistemas visuais compartilham semelhanças com humanos e primatas, mas diferem em complexidade. Ainda assim, o artigo adiciona novas linhas de pesquisa e as descobertas podem ser potencialmente aplicadas a redes neurais que controlam a visão de máquina, como aquelas em veículos autônomos.

"É tudo para entender melhor como a visão realmente funciona", disse Guitchounts. "A neurociência está entrando em uma nova era onde entendemos que percepção e ação são loops entrelaçados ... Não há ação sem percepção e não há percepção sem ação. Agora temos a tecnologia para medir isso."

 

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