September 12, 2021

Leituras - o cérebro hexadireccional

 


O Cérebro Mapeia Out Ideias e Memórias como Espaços

Jordana Cepelewicz 

Nós, humanos, sempre experimentámos uma estranha ligação entre os mundos mentais e os mundos físicos que habitamos, especialmente quando se trata de memória. Somos bons a recordar marcos e cenários e se dermos às nossas memórias um lugar para o contexto, agarrarmo-nos a eles torna-se mais fácil. Para recordar longos discursos, os antigos oradores gregos e romanos imaginavam vaguear por "palácios da memória" cheios de lembranças. Os campeões dos concursos de memória modernos ainda usam essa técnica para "colocar" longas listas de números, nomes e outras peças de informação.

Como disse Kant, o conceito de espaço serve como princípio organizador pelo qual percebemos e interpretamos o mundo, mesmo de forma abstracta. "A nossa linguagem está repleta de metáforas espaciais para o raciocínio, e para a memória em geral", disse Kim Stachenfeld, um neurocientista da empresa britânica de inteligência artificial DeepMind.

Nas últimas décadas, a investigação tem mostrado que, pelo menos em duas das nossas faculdades, memória e navegação, essas metáforas podem ter uma base física no cérebro. Uma pequena estrutura em forma de cavalo marinho, o hipocampo é essencial para ambas as funções e as provas começaram a sugerir que o mesmo esquema de codificação - uma forma de representação baseada em grelha - pode estar subjacente a ambas. Percepções recentes levaram alguns investigadores a propor que este mesmo esquema de codificação pode ajudar-nos a navegar noutros tipos de informação, incluindo vistas, sons e conceitos abstractos. As sugestões mais ambiciosas chegam mesmo a aventurar-se a que estes códigos de grelha possam ser a chave para compreender como o cérebro processa todos os detalhes do conhecimento geral, percepção e memória.

O Amnésico e os Hexágonos

A 1 de Setembro de 1953, Henry Molaison, um homem de 27 anos que o mundo viria a conhecer como "Paciente H.M.", foi à faca numa tentativa arriscada e experimental de curar um caso debilitante de epilepsia. Um neurocirurgião removeu o hipocampo e os tecidos circundantes das profundezas do cérebro de H.M., aliviando algumas das suas convulsões, mas deixando-o, inadvertidamente, um amnésico permanente. Até à sua morte, mais de meio século depois, H.M. não conseguiu codificar novas memórias: nem o que tinha comido ao pequeno-almoço, nem a mais recente notícia, nem a identidade do estranho a quem tinha sido apresentado apenas alguns minutos antes.

A história de H.M., embora trágica, revolucionou a compreensão dos cientistas sobre o papel que o hipocampo desempenha na forma como o cérebro organiza a memória.

Anos mais tarde, outra revolução centrada no hipocampo deus aos seus pioneiros um Prémio Nobel: as descobertas, com décadas de diferença, de dois tipos de células, que deixaram claro que as funções fundamentais da região do hipocampo incluíam não só a memória, mas também a orientação e a representação de espaços bidimensionais.

A primeira destas veio em 1971, quando os investigadores descobriram "células de lugar", que disparam para indicar a nossa localização actual. John O'Keefe, um neurocientista do University College London, juntamente com os seus colegas monitorizaram a actividade cerebral de ratos em deambulação livre e observaram que alguns dos seus neurónios dispararam apenas quando se encontravam em partes específicas das suas jaulas. Alguns tornaram-se activos farejando, digamos, o canto nordeste do recinto, mas de resto permaneceram em silêncio; outros dispararam no centro da gaiola. Ou seja, as células codificaram um sentido de lugar ("você está aqui") - e juntas, criaram um mapa de todo o espaço. (Quando o rato foi colocado numa gaiola ou sala diferente, estas células de lugar "re-mapearam-se", codificando diferentes posições locais).

Estas descobertas inspiraram a proposta de que o hipocampo poderia estar a criar e a armazenar "mapas cognitivos" (uma ideia apresentada pela primeira vez pelo psicólogo Edward Tolman na década de 1940 para explicar como os ratos poderiam descobrir novos atalhos para recompensas em labirintos) para além dos espaciais. No mínimo, o hipocampo parecia ser um lugar promissor para começar a procurar pistas de tais mapas.


A descoberta do Global Positioning System (GPS) do nosso cérebro, feita por John O´Keefe e pelos seus alunos de doutoramento, o casal Edvard e May-Britt Moser (e que lhes permitiu ganhar, os três, o prémio Nobel da Fisiologia ou Medicina de 2014), explicou como conhecemos onde estamos e somos capazes de navegar de um lado para o outro. Finalmente, um dos problemas que ocupara filósofos e cientistas, ao longo de séculos, foi resolvido. Falta ainda encontrar o porquê dos doentes de Alzheimer serem incapazes de reconhecer o ambiente (sala, rua, paisagem) que os cerca.

Foram necessárias duas partes para quebrar este quebra-cabeças: em 1971, O´Keefe mostrou que um conjunto de células neuronais tornava-se ativo quando um rato estava num lugar de um quarto, e um conjunto diferente ficava ativo quando o rato ia para um lugar diferente. Estas células localizadas no hipocampo (área do cérebro associada à memória) foram chamadas place cells (células de lugar) e constituem um mapa. Em 2005, o casal Moser encontrou a outra parte do cérebro onde se localiza a carta náutica, as grid cells (células de grelha) no córtex entorrinal, as quais são parecidas às linhas de longitude e latitude, as quais funcionam como o mecanismo neuronal para julgar uma distância e navegar. A combinação destes dois tipos de células constitui o nosso GPS interno, ou seja a nossa memória espacial. Nós, e os outros animais, criamos representações do mundo externo, dentro do nosso cérebro, e esta descoberta foi reconhecida como um avanço espetacular da ciência cognitiva.
Onde estou? Para onde vou? As células do lugar ajudam-nos a cartografar (guiar) as nossas viagens no mundo, e constituem uma espécie de andaime espaço/temporal/cerebral que suporta a memória autobiográfica. Como o cérebro computa? Não é com Java, mas com um outro tipo de linguagem ainda a descobrir. O caminho para a compreensão dos códigos neuronais da cognição está aberto, e o desafio está lançado simultaneamente à Biologia, à Ciência da Computação e à Filosofia.

Como é que o cérebro gera o comportamento? Vejamos então como os cientistas raciocinaram. Um modo de conhecer a resposta consistia em ligar a atividade daquelas células com o nosso comportamento e o dos animais. O sentido do lugar exigia que se respondesse à questão: quanto do hipocampo seria necessário cortar para que um rato não pudesse se lembrar dos seus novos ambientes envolventes? Seria o hipocampo homogéneo? Os cientistas descobriram que um dos lados do hipocampo era mais importante, para a memória espacial, do que o outro, ou seja era importante revelar a anatomia daquela parte do cérebro, e em detalhe, para compreender a função cerebral subjacente.

Em 1996, o casal conseguiu dois pós-doutoramentos em Trondheim, um lugar universitário sossegado na Noruega. Obtiveram o apoio financeiro da CEE e da Noruega, e os resultados começaram a surgir. A sua atenção focou-se na descrição do sinal das células de lugar, no hipocampo, e em como os sinais se propagavam fisicamente através dessa área. Adotaram a técnica experimental habitual. O rato (com elétrodos) ia de um lugar para outro, os neurónios disparavam, e formava-se um padrão hexagonal no ecrã do computador. Descobriram que a informação, que ia para as células de lugar, vinha do córtex entorrinal. Ninguém havia prestado atenção a esta área, em parte porque o seu acesso era difícil e porque uma câmara estava perto. Pediram ajuda a um colega de neuroanatomia, e repetiram várias vezes as experiências. Uma surpresa intrigou-os: havia um padrão (rede hexagonal) no ecrã, que não compreendiam, nomeadamente a simplicidade e a regularidade. Era a representação do espaço na linguagem do cérebro, o código. A descoberta foi publicada na revista "Nature" em 2005.

As células de grelha, do cérebro dos ratos, passaram a ser o alvo da observação. O padrão de disparo das células permanecia constante, não dependendo da velocidade e direção do animal. E, havia algo diferente quando se comparava com as células de lugar: se o ambiente mudasse um pouco (a cor das paredes), a taxa de disparo mudava, mas no caso das células de grelha a taxa ficava inalterável. Descobriram também que as diferentes células do córtex geravam muitos tipos diferentes de grelhas, e que se arranjavam de acordo com uma regra matemática precisa. Curiosamente, as células que geravam as grelhas pequenas, com espaço estreito, estavam no topo do córtex, e as que geravam grandes grelhas na parte debaixo do córtex. E, as células que faziam grelhas com o mesmo tamanho e orientação pareciam agrupar-se em módulos.

Este género de novidades, ligando o cérebro, a memória e a localização, já tinham perturbado os filósofos da Antiga Grécia, quando pretendiam memorizar um longo discurso, pois recorriam a mnemónicas, a disposição de um edifício ou uma rua ligada a marcas (referências) mentais para ativar secções da memória. No século 20, os comportamentalistas colocaram como hipótese que os animais tivessem um mapa abstrato do espaço, no interior do cérebro, e agora as células de grelha provaram que havia algo na mente para a resolução espacial e que poupava energia. (Helder Coelho, professor do Departamento de Informática de Ciências)


Ao contrário das células de lugar, as células da grelha não representam locais particulares. Em vez disso, formam um sistema de coordenadas que é independente da localização. (Como resultado, são popularmente conhecidas como GPS do cérebro.) Cada célula da grelha dispara em posições regularmente espaçadas, que formam um padrão hexagonal. Imagine que o chão do seu quarto é ladrilhado com hexágonos regulares, todos do mesmo tamanho, e cada hexágono é dividido em seis triângulos equiláteros. À medida que atravessa o quarto, uma das suas células da grelha dispara cada vez que atinge um vértice de qualquer um desses triângulos.

Diferentes conjuntos de células da grelha formam diferentes grelhas: grelhas com hexágonos maiores ou menores, grelhas orientadas noutras direcções, grelhas deslocadas umas das outras. Juntas, as células da grelha mapeiam cada posição espacial num ambiente, e qualquer localização em particular é representada por uma combinação única de padrões de disparo das células da grelha. O único ponto onde várias grelhas se sobrepõem diz ao cérebro onde o corpo deve estar.

Este tipo de rede de grelha, ou código, constrói um sentido de espaço mais intrínseco do que as células de lugar. Enquanto que as células de lugar fornecem um bom meio de navegação onde existem pontos de referência e outros locais significativos para fornecer informação espacial, as células de grelha fornecem um bom meio de navegação na ausência de tais sinais externos. De facto, os investigadores pensam que as células da grelha são responsáveis pelo que é conhecido como integração do caminho, o processo através do qual uma pessoa pode manter um registo de onde se encontra no espaço - até onde viajou desde algum ponto de partida, e em que direcção - enquanto, digamos, de olhos vendados.



Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine


"A ideia é que o código da grelha poderia ser algum tipo de sistema métrico ou de coordenadas", disse Jacob Bellmund, um neurocientista cognitivo do Instituto Max Planck e do Instituto Kavli de Neurociência de Sistemas. "É possível medir distâncias com este tipo de código". Além disso, devido ao seu funcionamento, esse esquema de codificação pode representar de forma única e eficiente uma grande quantidade de informação.

E não apenas isso: uma vez que a grelha é baseada em relações, poderia, pelo menos em teoria, representar não só muita informação, mas também muitos tipos diferentes de informação. "O que a célula da grelha capta é a instanciação dinâmica da solução mais estável da física", disse György Buzsáki, um neurocientista da Faculdade de Medicina da Universidade de Nova Iorque: "o hexágono". Talvez a natureza tenha chegado a tal solução para permitir ao cérebro representar, usando células de grelha, qualquer relação estruturada, desde mapas de significados de palavras a mapas de planos futuros.

Um Papel em Expansão para as Células de Grelha

"Temos estado a pensar em como o hipocampo e o mecanismo do córtex entorrinal poderiam ter um propósito mais geral", disse Stachenfeld. "É uma ideia realmente poderosa, que se pode ter uma representação [célula de grade] da estrutura em geral, e aplicá-la mais rapidamente a novas situações". Isso, por sua vez, permitiria "comportar-se de forma mais eficiente, aprender muito mais depressa".

Uma vez que os investigadores normalmente não podiam fazer medições directas de neurónios individuais nos seus sujeitos de teste, tinham que ser inventivos com a sua metodologia. Em 2010, por exemplo, os neurocientistas descobriram um certo tipo de sinal a procurar em exames de ressonância magnética funcional (fMRI) do cérebro como uma assinatura indirecta da actividade das células da grelha. Este sinal "hexadireccional" surge em sujeitos que navegam num ambiente virtual. 

Um dos primeiros exemplos veio com a navegação do espaço visual. Quando os macacos, com as suas cabeças fixas no lugar, rastrearam imagens apenas com os seus olhos, os investigadores encontraram indícios de actividade das células da grelha no córtex entorrinal. Trabalhos mais recentes em humanos descobriram a mesma assinatura hexadireccional e algumas experiências até identificaram outras propriedades mais directas do código da grelha já observadas em tarefas de navegação física.

Princípios semelhantes podem também orientar a forma como o cérebro codifica o tempo. O hipocampo já foi considerado como contendo células de lugar que também se comportam como neurónios "célula do tempo" em certas situações, activando-se para indicar momentos sucessivos no tempo (em vez de posições sucessivas no espaço). Os ratos atravessariam um labirinto, no qual uma secção envolvia trotar numa roda ou passadeira durante um número pré-determinado de segundos antes de continuar em frente. Durante o intervalo em que os ratos corriam no lugar, a sua localização real mantinha-se constante, células disparadas no seu hipocampo para seguir a sua progressão temporal: Alguns neurónios estiveram activos durante os primeiros segundos, outros durante os segundos seguintes e assim por diante. A descoberta "traz o tempo como uma dimensão diferente para a equação", disse Bellmund.

Mais recentemente, os trabalhos publicados na Nature no Verão passado, revelaram provas de um sistema de codificação que representa de forma única o tempo no contexto de memórias ou experiências. Uma equipa de investigadores, liderada pelos Mosers, descobriu um esquema de codificação do tempo que se estendeu por múltiplas escalas, de segundos a horas. Embora ainda não tenha sido estabelecida uma ligação explícita entre a organização temporal e as células da grelha, os cientistas viram indícios de uma ligação: As células da grelha assinalam o tempo decorrido nas passadeiras pelos ratos, por exemplo.

No ano passado, uma equipa de cientistas da Universidade de Princeton trouxe ainda outra dimensão potencial para a mistura: o som. Monitorizaram a actividade cerebral em ratos que empurravam uma alavanca para alterar a frequência de um tom emitido para corresponder a um que tinham ouvido anteriormente. As suas observações sugeriam que os ratos poderiam estar a navegar mentalmente através de um "espaço acústico" nas suas mentes para encontrar o tom desejado. [Nota do editor: Este trabalho foi financiado em parte pela Simons Foundation, que também financia esta revista editorialmente independente].

Talvez a mais tentadora de todas, uma experiência conduzida em 2016 introduziu um contexto muito mais abstracto para o comportamento das células da grelha. Investigadores liderados por Timothy Behrens, um neurocientista computacional da Universidade de Oxford, fizeram com que as pessoas observassem a silhueta de um pássaro num ecrã enquanto o comprimento do seu pescoço, das suas pernas ou ambos iam sendo esticados e comprimidos. O sinal hexadireccional surgiu nos seus dados fMRI, em várias áreas do cérebro; variou como se os sujeitos do teste estivessem a navegar num "espaço de pássaro" bidimensional, onde um eixo denotou o comprimento do pescoço e o outro o comprimento das pernas.

A descoberta sugeriu que o cérebro processa trajectórias através de espaços físicos e espaços conceptuais de forma muito semelhante. Agora, investigadores incluindo Behrens, Bellmund e o neurocientista Christian Doeller propõem que todo o conhecimento pode ser traçado desta forma, em termos de características de interesse - que diferentes objectos, diferentes experiências e diferentes memórias podem ser organizados e atravessados com o código da grelha.

"Parece ser bastante arbitrário, que dimensões pode mapear", disse Bellmund. "O que é interessante é ser tão geral entre domínios, o mecanismo parece ser preservado".

Este trabalho, acrescentou Thomas Wolbers, um neurocientista cognitivo do Centro Alemão de Doenças Neurodegenerativas, põe em causa a ideia de que as células da grelha constituem simplesmente "um puro sinal de localização" - com fios e especializado. "Até agora, só o tínhamos visto no espaço porque só tínhamos olhado para tarefas e paradigmas de navegação", disse ele. "Pode ser muito mais ubíquo".

O Poder da Analogia

Uma área que tem visto alguns resultados preliminares intrigantes é a do comportamento social. Pensamos na sociedade em termos espaciais a toda a hora: Há escadas sociais para escalar, redes para construir e expandir, pessoas que consideramos "próximas" ou "distantes". Agora, alguns grupos de investigação estão a sondar as relações sociais em busca de provas do código da grelha.

Um estudo recente construiu um espaço bidimensional não muito diferente da experiência com aves: as pessoas jogavam um jogo de computador, interagindo com personagens de formas que poderiam mudar os seus níveis de poder ou de filiação. Os investigadores descobriram que o hipocampo parecia seguir as posições das personagens naquele espaço, em relação ao sujeito do teste. Embora a experiência não tenha determinado se o hipocampo está a navegar essa informação social de uma forma semelhante a uma grelha, Matthew Schafer, um estudante graduado da Escola de Medicina de Icahn no Monte Sinai, actualmente a trabalhar no projecto, espera encontrar o sinal hexadireccional revelador. (Ele e outros estão agora a estudar como essa navegação pode ser perturbada ou de outra forma afectada em pessoas com condições como a perturbação do espectro do autismo).

Estas ideias poderiam fazer com que valesse a pena procurar pistas escondidas noutros tipos de metáforas espaciais também: Afinal de contas, os neurónios além das células do lugar e as células da grelha podem também ter algo a contribuir. Existem células de direcção da cabeça que disparam quando um animal aponta a sua cabeça numa determinada direcção, e células de velocidade que indicam o ritmo a que se move através do espaço, e mesmo células de fronteira que representam a localização de paredes ou outras fronteiras ambientais.

O estudo destes neurónios em contextos mais abstractos pode produzir novos conhecimentos. Por exemplo, foi relatada actividade celular limite não só para as fronteiras de um espaço físico mas também para as fronteiras entre eventos separados numa sequência temporal. Poderiam estes neurónios também desempenhar um papel na formação de fronteiras entre conceitos, na criação de domínios distintos de conhecimento no cérebro? Ou poderiam as células de direcção ajudar a orientar-se dentro de um determinado tópico? O potencial para tais analogias é enorme.

O mesmo se aplica a uma melhor compreensão das doenças e de outros estados. Wolber estuda o envelhecimento, e num artigo recentemente publicado, ele e os seus colegas examinaram como o código da grelha de navegação espacial muda nas pessoas idosas. Verificaram que o sinal se tornou menos estável, com a grelha a flutuar entre orientações - e que as pessoas com grelhas menos estáveis também eram muito menos adeptas de manter um registo da sua localização relativa quando vendadas e conduzidas ao longo de um percurso sinuoso. Wolbers sugere que se o código da grelha for utilizado para processar muitos tipos de informação e memórias, é possível que uma patologia que desestabilize o sistema de grelha espacial possa ter um efeito mais geral na estabilidade da memória e de outras áreas de cognição.

Ainda assim, "nesta fase", alertou, "os dados disponíveis são escassos". Temos de ser cautelosos".

Kate Jeffery, uma neurocientista comportamental do University College London, concordou. Claro, o cérebro pode utilizar um sistema comum para codificar conhecimentos espaciais e não espaciais, se estes últimos puderem ser representados como variando continuamente numa escala bidimensional. Mas também é possível que algumas tarefas cognitivas sejam tão complicadas e não naturais que o cérebro seja forçado a depender de um análogo espacial como uma muleta para passar por elas. Talvez as experiências sobre a frequência sonora e as aves esticadas tenham tocado nesta característica, disse Jeffery.

Uma estrutura unificadora

Para cimentar ainda mais as aplicações mais amplas do código da grelha, então, os investigadores esperam primeiro descobrir como estas células podem estar a trabalhar em mais de duas dimensões, dado que o conhecimento de nível mais elevado tende a envolver muito mais do que pares de qualidades, como o comprimento do pescoço e das pernas, ou a potência e a associação. Isto é algo que está actualmente a ser examinado em morcegos voadores, que navegam através de três dimensões em vez de apenas duas.

Alguns investigadores estão a fazer afirmações ainda mais ousadas. Jeff Hawkins, o fundador da empresa de inteligência de máquinas Numenta, lidera uma equipa que está a trabalhar na aplicação do código da grelha não apenas para explicar as funções relacionadas com a memória da região hipocampal, mas para compreender todo o neocórtex - e com ele, para explicar toda a cognição, e como modelamos todos os aspectos do mundo à nossa volta. De acordo com a sua "teoria dos mil cérebros da inteligência", disse ele, "o córtex não apenas processa apenas a entrada sensorial, mas também a aplica a um local". 

Imagine fechar os olhos e envolver as mãos em torno de um objecto não identificado: neste caso, uma chávena de café. Hawkins postula que o cérebro recebe informação sobre a posição de cada pedaço de pele que toca a superfície da chávena, em relação à própria chávena - por muito que o código da grelha lhe permita saber a posição do seu corpo no espaço, em relação ao quarto em que se encontra. Cada mancha de pele gera um modelo independente daquilo em que pode estar a tocar; todos esses modelos são então cruzados para se chegar à conclusão de que o objecto é de facto uma chávena de café.

Hawkins pensa que a mesma lógica pode aplicar-se a qualquer coisa com uma estrutura. "Tudo o que fazemos - planeamento, matemática, física, linguagem - seria baseado no mesmo princípio", disse ele. "Penso que estamos aqui numa cúspide, onde de repente vamos ter um novo paradigma para compreender como funciona o cérebro".

Embora a hipótese tenha despertado interesse entre outros investigadores, continuam cépticos de que as células da grelha serão encontradas para além da proximidade do hipocampo e dizem que Hawkins e a sua equipa têm um longo caminho a percorrer para provar o poder do seu modelo.

Ainda assim, proporciona um bom ponto de partida para pensar em como melhorar a inteligência artificial. Se a estrutura da grelha é de facto geral, poderia ser imitada para construir máquinas muito mais flexíveis, criativas, gerais e poderosas.


No comments:

Post a Comment