Embora o sistema visual humano possua mecanismos sofisticados para processar cores, o cérebro não tem problemas em reconhecer objetos em imagens em preto e branco. Um novo estudo do MIT oferece uma possível explicação de como o cérebro se torna tão hábil em identificar imagens coloridas e com degradação de cor.

Usando dados experimentais e modelagem computacional, os pesquisadores encontraram evidências que sugerem que as raízes dessa habilidade podem estar no desenvolvimento. No início da vida, quando os recém-nascidos recebem informações sobre cores fortemente limitadas, o cérebro é forçado a aprender a distinguir objetos com base na sua luminância, ou intensidade da luz que emitem, e não na sua cor. Mais tarde na vida, quando a retina e o córtex estão mais bem equipados para processar cores, o cérebro também incorpora informações de cores, mas também mantém a capacidade previamente adquirida de reconhecer imagens sem depender criticamente de sinais de cores.

As descobertas são consistentes com trabalhos anteriores que mostram que a entrada visual e auditiva inicialmente degradada pode, na verdade, ser benéfica para o desenvolvimento inicial dos sistemas perceptivos.

“Essa ideia geral, de que há algo importante nas limitações iniciais que temos em nosso sistema perceptivo, transcende a visão das cores e a acuidade visual. Alguns dos trabalhos que nosso laboratório realizou no contexto da audição também sugerem que há algo importante em colocar limites na riqueza de informações a que o sistema neonatal é inicialmente exposto”, diz Pawan Sinha, professor de ciências cerebrais e cognitivas da MIT e o autor sênior do estudo.

As descobertas também ajudam a explicar por que as crianças que nascem cegas, mas que têm a visão restaurada mais tarde na vida, através da remoção de cataratas congênitas, têm muito mais dificuldade em identificar objetos apresentados em preto e branco. Essas crianças, que recebem informações ricas em cores assim que sua visão é restaurada, podem desenvolver uma dependência excessiva das cores, o que as torna muito menos resilientes a mudanças ou remoção de informações coloridas.

Os pós-doutorandos do MIT, Marin Vogelsang e Lukas Vogelsang, e a cientista pesquisadora do Projeto Prakash, Priti Gupta, são os principais autores do estudo, que aparece hoje na Science . Sidney Diamond, um neurologista aposentado que agora é afiliado de pesquisa do MIT, e outros membros da equipe do Projeto Prakash também são autores do artigo.

A exploração dos investigadores sobre como a experiência inicial com as cores afecta o reconhecimento posterior de objectos surgiu de uma simples observação de um estudo de crianças que tiveram a visão restaurada após terem nascido com cataratas congénitas. Em 2005, Sinha lançou o Projecto Prakash (a palavra sânscrita para “luz”), um esforço na Índia para identificar e tratar crianças com formas reversíveis de perda de visão.

Muitas dessas crianças sofrem de cegueira devido a densas cataratas bilaterais. Esta condição muitas vezes não é tratada na Índia, que tem a maior população mundial de crianças cegas, estimada entre 200.000 e 700.000.

As crianças que recebem tratamento através do Projeto Prakash também podem participar em estudos sobre o seu desenvolvimento visual, muitos dos quais ajudaram os cientistas a aprender mais sobre como a organização do cérebro muda após a restauração da visão, como o cérebro estima o brilho e outros fenômenos relacionados com a visão.

Neste estudo, Sinha e seus colegas aplicaram às crianças um teste simples de reconhecimento de objetos, apresentando imagens coloridas e em preto e branco. Para crianças nascidas com visão normal, a conversão de imagens coloridas em tons de cinza não teve nenhum efeito na capacidade de reconhecer o objeto representado. No entanto, quando crianças submetidas à remoção de catarata foram apresentadas a imagens em preto e branco, seu desempenho caiu significativamente.

Isto levou os investigadores a levantar a hipótese de que a natureza dos estímulos visuais aos quais as crianças são expostas no início da vida pode desempenhar um papel crucial na formação da resiliência às mudanças de cor e na capacidade de identificar objetos apresentados em imagens a preto e branco. Em recém-nascidos com visão normal, as células cônicas da retina não estão bem desenvolvidas no nascimento, resultando em bebês com baixa acuidade visual e visão de cores deficiente. Durante os primeiros anos de vida, a sua visão melhora acentuadamente à medida que o sistema de cones se desenvolve.

Como o sistema visual imaturo recebe informações de cores significativamente reduzidas, os pesquisadores levantaram a hipótese de que, durante esse período, o cérebro do bebê é forçado a ganhar proficiência no reconhecimento de imagens com sinais de cores reduzidos. Além disso, propuseram que as crianças que nascem com catarata e que as removem mais tarde podem aprender a confiar demasiado em sinais de cores ao identificar objectos, porque, como demonstraram experimentalmente no artigo, com retinas maduras, iniciam as suas viagens pós-operatórias. com boa visão de cores.

Para testar rigorosamente essa hipótese, os pesquisadores usaram uma rede neural convolucional padrão, AlexNet, como modelo computacional de visão. Eles treinaram a rede para reconhecer objetos, fornecendo diferentes tipos de informações durante o treinamento. Como parte de um regime de treinamento, eles inicialmente mostraram apenas imagens em escala de cinza do modelo e, posteriormente, introduziram imagens coloridas. Isto imita aproximadamente a progressão do desenvolvimento do enriquecimento cromático à medida que a visão dos bebês amadurece durante os primeiros anos de vida.

Outro regime de treinamento compreendia apenas imagens coloridas. Isto se aproxima da experiência das crianças do Projeto Prakash, porque elas podem processar informações coloridas assim que suas cataratas são removidas.

Os pesquisadores descobriram que o modelo inspirado no desenvolvimento poderia reconhecer objetos com precisão em qualquer tipo de imagem e também era resistente a outras manipulações de cores. No entanto, o modelo proxy Prakash treinado apenas em imagens coloridas não mostrou boa generalização para imagens em tons de cinza ou manipuladas em matiz.

“O que acontece é que esse modelo tipo Prakash é muito bom com imagens coloridas, mas é muito ruim com qualquer outra coisa. Quando não iniciam com um treinamento inicialmente com degradação de cores, esses modelos simplesmente não generalizam, talvez devido à sua dependência excessiva de sugestões de cores específicas”, diz Lukas Vogelsang.

A generalização robusta do modelo inspirado no desenvolvimento não é apenas uma consequência de ele ter sido treinado em imagens coloridas e em tons de cinza; a ordenação temporal dessas imagens faz uma grande diferença. Outro modelo de reconhecimento de objetos que foi treinado primeiro em imagens coloridas, seguidas por imagens em tons de cinza, não teve um desempenho tão bom na identificação de objetos em preto e branco.

“Não são apenas os passos da coreografia de desenvolvimento que são importantes, mas também a ordem em que são executados”, diz Sinha.

Ao analisar a organização interna dos modelos, os pesquisadores descobriram que aqueles que começam com entradas em tons de cinza aprendem a confiar na luminância para identificar objetos. Depois que começam a receber informações sobre cores, eles não mudam muito sua abordagem, pois já aprenderam uma estratégia que funciona bem. Os modelos que começaram com imagens coloridas mudaram sua abordagem assim que as imagens em escala de cinza foram introduzidas, mas não conseguiram mudar o suficiente para torná-las tão precisas quanto os modelos que receberam imagens em escala de cinza primeiro.

Um fenômeno semelhante pode ocorrer no cérebro humano, que tem mais plasticidade no início da vida e pode facilmente aprender a identificar objectos apenas com base na sua luminância. No início da vida, a escassez de informações sobre cores pode, de fato, ser benéfica para o cérebro em desenvolvimento, à medida que ele aprende a identificar objetos com base em informações esparsas.

“Quando recém-nascido, a criança com visão normal é privada, em certo sentido, da visão das cores. E isso acaba sendo uma vantagem”, diz Diamond.

Pesquisadores do laboratório de Sinha observaram que as limitações na entrada sensorial precoce também podem beneficiar outros aspectos da visão, bem como o sistema auditivo. Em 2022, utilizaram modelos computacionais para mostrar que a exposição precoce apenas a sons de baixa frequência, semelhantes aos que os bebés ouvem no útero, melhora o desempenho em tarefas auditivas que requerem a análise de sons durante um longo período de tempo, como o reconhecimento de emoções. Planeiam agora explorar se este fenómeno se estende a outros aspectos do desenvolvimento, como a aquisição da linguagem.

A pesquisa foi financiada pelo National Eye Institute do NIH e pela Intelligence Advanced Research Projects Activity.