As informações recebidas da retina são canalizadas para duas vias no sistema visual do cérebro: uma responsável pelo processamento de cores e detalhes espaciais finos, e outra envolvida na localização espacial e na detecção de altas frequências temporais. Um novo estudo do MIT explica como essas duas vias podem ser moldadas por fatores de desenvolvimento.

Recém-nascidos geralmente apresentam baixa acuidade visual e baixa visão de cores porque suas células cone da retina não estão bem desenvolvidas ao nascimento. Isso significa que, no início da vida, eles veem imagens borradas e com cores reduzidas. A equipe do MIT propõe que essa visão borrada e com cores limitadas pode resultar em algumas células cerebrais se especializando em baixas frequências espaciais e baixa sintonia de cores, correspondendo ao chamado sistema magnocelular. Posteriormente, com a visão aprimorada, as células podem se sintonizar com detalhes mais finos e cores mais ricas, consistente com a outra via, conhecida como sistema parvocelular.

Para testar sua hipótese, os pesquisadores treinaram modelos computacionais de visão em uma trajetória de entrada semelhante à que bebês humanos recebem no início da vida — imagens de baixa qualidade no início, seguidas por imagens coloridas e mais nítidas posteriormente. Eles descobriram que esses modelos desenvolveram unidades de processamento com campos receptivos que exibiam alguma semelhança com a divisão das vias magnocelulares e parvocelulares no sistema visual humano. Modelos de visão treinados apenas com imagens de alta qualidade não desenvolveram características tão distintas.

“As descobertas sugerem potencialmente uma explicação mecanicista para o surgimento da distinção parvo/magno, que é um dos principais princípios organizadores da via visual no cérebro dos mamíferos”, afirma Pawan Sinha, professor de ciências cognitivas e cerebrais do MIT e autor sênior do estudo.

Os pós-doutorandos do MIT Marin Vogelsang e Lukas Vogelsang são os principais autores do estudo, publicado hoje na revista Communications Biology . Sidney Diamond, pesquisador afiliado do MIT, e Gordon Pipa, professor de neuroinformática na Universidade de Osnabrueck, também são autores do artigo.

A ideia de que informações visuais de baixa qualidade podem ser benéficas para o desenvolvimento surgiu de estudos com crianças que nasceram cegas, mas que posteriormente tiveram a visão restaurada. Um esforço do laboratório de Sinha, o Projeto Prakash, examinou e tratou milhares de crianças na Índia, onde formas reversíveis de perda de visão, como catarata, são relativamente comuns. Após a recuperação da visão, muitas dessas crianças se voluntariam para participar de estudos nos quais Sinha e seus colegas acompanham seu desenvolvimento visual.

Em um desses  estudos , os pesquisadores descobriram que crianças submetidas à remoção de catarata apresentaram uma queda acentuada no desempenho de reconhecimento de objetos quando eram apresentadas a imagens em preto e branco, em comparação com imagens coloridas. Essas descobertas levaram os pesquisadores a levantar a hipótese de que a redução da percepção de cores, característica do desenvolvimento típico inicial, longe de ser um obstáculo, permite que o cérebro aprenda a reconhecer objetos mesmo em imagens com cores empobrecidas ou alteradas.

Nesse estudo, os pesquisadores também descobriram que, quando modelos computacionais de visão foram inicialmente treinados com imagens em tons de cinza, seguidas por imagens coloridas, sua capacidade de reconhecer objetos foi mais robusta do que a de modelos treinados apenas com imagens coloridas. Da mesma forma, outro estudo do laboratório descobriu que os modelos tiveram melhor desempenho quando foram treinados primeiro com imagens desfocadas, seguidas por imagens mais nítidas.

Para dar continuidade a essas descobertas, a equipe do MIT quis explorar quais poderiam ser as consequências da limitação de ambas as características — cor e acuidade visual — no início do desenvolvimento. Eles levantaram a hipótese de que essas limitações poderiam contribuir para o desenvolvimento das vias magnocelular e parvocelular.

Além de serem altamente sintonizadas com a cor, as células da via parvocelular possuem pequenos campos receptivos, o que significa que recebem informações de grupos mais compactos de células ganglionares da retina. Isso as ajuda a processar detalhes finos. As células da via magnocelular reúnem informações em áreas maiores, permitindo-lhes processar informações espaciais mais globais.

Para testar sua hipótese de que as progressões do desenvolvimento poderiam contribuir para as seletividades das células magno e parvo, os pesquisadores treinaram modelos em dois conjuntos diferentes de imagens. Um modelo recebeu um conjunto de dados padrão de imagens, usado para treiná-los a categorizar objetos. O outro conjunto de dados foi projetado para imitar aproximadamente a entrada que o sistema visual humano recebe desde o nascimento. Esses dados "biomiméticos" consistem em imagens de baixa resolução em tons de cinza na primeira metade do treinamento, seguidas por imagens coloridas de alta resolução na segunda metade.

Após o treinamento dos modelos, os pesquisadores analisaram as unidades de processamento dos modelos — nós dentro da rede que apresentam alguma semelhança com os aglomerados de células que processam informações visuais no cérebro. Eles descobriram que os modelos treinados com os dados biomiméticos desenvolveram um subconjunto distinto de unidades que respondem conjuntamente a entradas de baixa cor e baixa frequência espacial, semelhante à via magnocelular. Além disso, esses modelos biomiméticos exibiram grupos de unidades parvocelulares mais heterogêneas, sintonizadas predominantemente em frequências espaciais mais altas ou sinais de cores mais ricas. Essa distinção não surgiu nos modelos treinados com imagens coloridas de alta resolução desde o início.

“Isso dá algum suporte à ideia de que a 'correlação' que vemos no sistema biológico pode ser uma consequência dos tipos de informações que estão disponíveis ao mesmo tempo no desenvolvimento normal”, diz Lukas Vogelsang.

Os pesquisadores também realizaram testes adicionais para revelar quais estratégias os modelos treinados de forma diferente estavam usando para tarefas de reconhecimento de objetos. Em um deles, eles pediram aos modelos que categorizassem imagens de objetos cuja forma e textura não correspondiam — por exemplo, um animal com a forma de um gato, mas com a textura de um elefante.

Esta é uma técnica que vários pesquisadores da área têm empregado para determinar quais atributos de imagem um modelo está usando para categorizar objetos: a forma geral ou as texturas de granulação fina. A equipe do MIT descobriu que modelos treinados com dados biomiméticos eram significativamente mais propensos a usar a forma de um objeto para tomar essas decisões, assim como os humanos costumam fazer. Além disso, quando os pesquisadores removeram sistematicamente as unidades semelhantes a magnocelulares dos modelos, estes rapidamente perderam a tendência de usar a forma para fazer categorizações.

Em outro conjunto de experimentos, os pesquisadores treinaram os modelos com vídeos em vez de imagens, o que introduz uma dimensão temporal. Além da baixa resolução espacial e da sensibilidade à cor, a via magnocelular responde a altas frequências temporais, permitindo a detecção rápida de mudanças na posição de um objeto. Quando os modelos foram treinados com entrada de vídeo biomimética, as unidades mais sintonizadas com altas frequências temporais foram, de fato, aquelas que também exibiram propriedades semelhantes às magnocelulares no domínio espacial.

No geral, os resultados corroboram a ideia de que estímulos sensoriais de baixa qualidade no início da vida podem contribuir para a organização das vias de processamento sensorial do cérebro, afirmam os pesquisadores. As descobertas não descartam a especificação inata das vias magno e parvo, mas fornecem uma prova de princípio de que a experiência visual ao longo do desenvolvimento também pode desempenhar um papel.

“O tema geral que parece estar emergindo é que a progressão do desenvolvimento pela qual passamos é cuidadosamente estruturada para nos dar certos tipos de proficiência perceptiva, e também pode ter consequências em termos da própria organização do cérebro”, diz Sinha.

A pesquisa foi financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, pelo Centro Simons para o Cérebro Social, pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e pela Fundação Científica Yamada.