O poder da seletividade mista: compreender a função cerebral e a cognição

Todos os dias, nossos cérebros se esforçam para otimizar um compromisso: com tantos eventos acontecendo ao nosso redor e, ao mesmo tempo, tantos impulsos e memórias internas, nossos pensamentos precisam ser flexíveis, mas focados o suficiente para guiar tudo o que precisamos fazer. Em um novo artigo na revista Neuron, uma equipe de neurocientistas descreve como o cérebro atinge a capacidade cognitiva de integrar todas as informações relevantes sem se sobrecarregar com o que não importa.

Os autores argumentam que essa flexibilidade decorre de uma propriedade fundamental observada em muitos neurônios: a "seletividade mista". Embora muitos neurocientistas pensassem anteriormente que cada célula tinha apenas uma função especializada, evidências mais recentes mostram que muitos neurônios podem participar de diferentes conjuntos computacionais trabalhando em paralelo. Em outras palavras, quando um coelho está considerando mordiscar alface no jardim, um único neurônio pode estar envolvido não apenas na avaliação de sua fome, mas também em ouvir um falcão acima de sua cabeça ou sentir o cheiro de um coiote nas árvores e avaliar a distância da alface.

O cérebro não realiza multitarefas, afirmou o coautor do artigo, Earl K. Miller, professor do Instituto Picower para o Estudo da Aprendizagem e da Memória do MIT e um dos pioneiros da ideia de seletividade mista, mas muitas células têm a capacidade de realizar múltiplas computações (essencialmente, "pensamentos"). No novo artigo, os autores descrevem os mecanismos específicos que o cérebro utiliza para recrutar neurônios para diferentes computações e garantir que esses neurônios representem o número correto de dimensões de uma tarefa complexa.

Esses neurônios desempenham muitas funções. Com a seletividade mista, você pode ter um espaço representacional tão complexo quanto você precisa, e nada mais. É aí que reside a flexibilidade da função cognitiva.

Earl K. Miller, Professor, Instituto Picower para o Estudo da Aprendizagem e da Memória, Instituto de Tecnologia de Massachusetts

A coautora Kay Tai, professora do Instituto Salk e da Universidade da Califórnia, em San Diego, disse que a seletividade mista entre os neurônios, particularmente no córtex pré-frontal medial, é fundamental para habilitar muitas habilidades mentais.

"O MPFC é como um sussurro que representa tanta informação por meio de conjuntos altamente flexíveis e dinâmicos", disse Tai. "A seletividade mista é a propriedade que nos confere flexibilidade, capacidade cognitiva e criatividade. É o segredo para maximizar o poder computacional, que é essencialmente a base da inteligência."

Origem da ideia

A ideia de seletividade mista surgiu em 2000, quando Miller e seu colega John Duncan defenderam um resultado surpreendente de um estudo sobre a função cognitiva no laboratório de Miller. Quando animais classificavam imagens em categorias, cerca de 30% dos neurônios no córtex pré-frontal do cérebro pareciam ser recrutados. Os céticos que acreditavam que cada neurônio tinha uma função específica zombavam da ideia de que o cérebro pudesse dedicar tantas células a apenas uma tarefa. A resposta de Miller e Duncan foi que talvez as células tivessem a flexibilidade de participar de muitas computações. A capacidade de servir a um grupo cerebral, como aconteceu, não impedia sua capacidade de servir a muitos outros.

Mas qual o benefício da seletividade mista? Em 2013, Miller se uniu a dois coautores do novo artigo, Mattia Rigotti, da IBM Research, e Stefano Fusi, da Universidade de Columbia, para mostrar como a seletividade mista confere ao cérebro uma poderosa flexibilidade computacional. Em essência, um conjunto de neurônios com seletividade mista pode acomodar muito mais dimensões de informação sobre uma tarefa do que uma população de neurônios com funções fixas.

"Desde o nosso trabalho original, avançamos na compreensão da teoria da seletividade mista através das lentes dos conceitos clássicos de aprendizado de máquina", disse Rigotti. "Por outro lado, questões importantes para os experimentalistas sobre os mecanismos que implementam isso no nível celular têm sido relativamente pouco estudadas. Esta colaboração e este novo artigo visam preencher essa lacuna."

No novo artigo, os autores imaginam um camundongo decidindo se come ou não uma fruta. Ela pode ter um cheiro delicioso (essa é uma dimensão). Pode ser venenosa (essa é outra). Outra ou duas dimensões do problema podem surgir na forma de um sinal social. Se um camundongo sente o cheiro de uma fruta no hálito de outro camundongo, a fruta provavelmente é comestível (dependendo da saúde aparente do outro camundongo). Um conjunto neural com seletividade mista poderia integrar tudo isso.

Atraindo neurônios

Embora a seletividade mista seja corroborada por abundantes evidências — ela foi observada em todo o córtex e em outras regiões do cérebro, como o hipocampo e a amígdala —, questões permanecem em aberto. Por exemplo, como os neurônios são recrutados para tarefas e como neurônios tão abertos se mantêm sintonizados apenas com o que é verdadeiramente crítico para a missão?

No novo estudo, pesquisadores, incluindo Marcus Benna, da UC San Diego, e Felix Taschbach, do Instituto Salk, identificam as formas de seletividade mista observadas pelos pesquisadores e argumentam que, quando oscilações (também conhecidas como "ondas cerebrais") e neuromoduladores (substâncias químicas como serotonina ou dopamina, que influenciam a função neural) recrutam neurônios para conjuntos computacionais, eles também os ajudam a "filtrar" o que é importante para esse propósito.

É claro que alguns neurônios se especializam em uma entrada específica, mas os autores apontam que eles são a exceção, não a regra. Essas células, dizem os autores, têm "seletividade pura". Elas só se importam se o coelho vê alface. Alguns neurônios exibem "seletividade mista linear", o que significa que sua resposta depende previsivelmente da soma de múltiplas entradas (o coelho vê alface e sente fome). Os neurônios que adicionam a maior flexibilidade de medição são aqueles com "seletividade mista não linear", que podem levar em conta múltiplas variáveis independentes sem precisar somá-las todas. Em vez disso, eles podem levar em conta todo um conjunto de condições independentes (por exemplo, há alface, estou com fome, não consigo ouvir falcões, não consigo sentir o cheiro de coiotes, mas a alface está longe e consigo ver uma cerca bem resistente).

Então, o que atrai os neurônios a se concentrarem em fatores significativos, não importa quantos sejam? Um mecanismo são as oscilações, que ocorrem no cérebro quando muitos neurônios mantêm sua atividade elétrica no mesmo ritmo. Essa atividade coordenada permite o compartilhamento de informações, essencialmente sintonizando-as, como um grupo de carros sintonizando a mesma estação de rádio (a transmissão de um falcão circulando acima, talvez). Outro mecanismo destacado pelos autores são os neuromoduladores. São substâncias químicas que, ao atingirem receptores dentro das células, também podem influenciar sua atividade. Por exemplo, um pico de acetilcolina pode, de forma semelhante, sintonizar neurônios com os receptores apropriados para uma atividade ou informação específica (talvez a sensação de fome).

"Esses dois mecanismos provavelmente trabalham juntos para formar redes funcionais dinamicamente", escrevem os autores.

Eles continuam que entender a seletividade mista é essencial para entender a cognição.

"A seletividade mista é onipresente", concluem. "Ela está presente em todas as espécies e desempenha funções que vão desde a cognição de alto nível até processos sensório-motores 'automáticos', como o reconhecimento de objetos. A ampla ocorrência da seletividade mista destaca seu papel fundamental em fornecer ao cérebro o poder de processamento escalável necessário para o pensamento e a ação complexos."

Os detalhes do estudo estão disponíveis na página do periódico CELL