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

Todos os dias, nosso cérebro se esforça para otimizar uma troca: com muitos eventos acontecendo ao nosso redor e, ao mesmo tempo, muitos impulsos e memórias internas, nossos pensamentos devem ser flexíveis, mas focados o suficiente para orientar tudo o que precisamos fazer. Num novo artigo publicado na revista Neuron, uma equipa de neurocientistas descreve como o cérebro atinge a capacidade cognitiva de integrar todas as informações relevantes sem ficar sobrecarregado pelo que não é relevante.

Os autores argumentam que a flexibilidade decorre de uma propriedade-chave observada em muitos neurônios: “seletividade mista”. Embora muitos neurocientistas pensassem anteriormente que cada célula tinha apenas uma função especializada, evidências mais recentes mostraram que muitos neurônios podem participar em diferentes conjuntos computacionais trabalhando em paralelo. Em outras palavras, quando um coelho está pensando em mordiscar alface no jardim, um neurônio pode estar envolvido não apenas em avaliar sua fome, mas também em ouvir um falcão no alto ou sentir o cheiro de um coiote nas árvores e determinar a que distância a alface está..

O cérebro não é multitarefa, disse o coautor Earl K. Miller, professor do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória do MIT e um dos pioneiros da ideia de seletividade mista, mas muitas células têm a capacidade envolver-se em múltiplos processos computacionais (essencialmente, "pensamentos"). No novo artigo, os autores descrevem mecanismos específicos que o cérebro usa para recrutar neurônios para realizar vários cálculos e para garantir que esses neurônios representem o número correto de dimensões de um problema complexo.

Esses neurônios desempenham muitas funções. Com a seletividade mista é possível ter um espaço representativo tão complexo quanto necessário e nada mais. É aqui que reside a flexibilidade da função cognitiva."

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

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

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

Origem da ideia

A ideia de seletividade mista teve origem em 2000, quando Miller e seu colega John Duncan defenderam um resultado surpreendente da pesquisa sobre função cognitiva no laboratório de Miller. Quando os animais classificaram as imagens em categorias, cerca de 30% dos neurônios do córtex pré-frontal do cérebro pareceram estar ativados. Os céticos que acreditavam que cada neurônio tinha uma função dedicada 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 flexibilidade para participar de muitos cálculos. A capacidade de servir em um grupo cerebral, como era, não impedia sua capacidade de servir a muitos outros.

Mas quais benefícios a seletividade mista traz? Em 2013, Miller juntou-se a dois coautores de um 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 informações de tarefas do que uma população de neurônios com funções invariantes.

"Desde nosso trabalho inicial, fizemos progressos na compreensão da teoria da seletividade mista através das lentes das ideias clássicas de aprendizado de máquina", disse Rigotti. "Por outro lado, questões importantes para os experimentalistas sobre os mecanismos que fazem isto a nível celular têm sido relativamente pouco exploradas. Esta colaboração e este novo artigo visaram preencher esta lacuna."

No novo artigo, os autores apresentam um rato decidindo se comerão uma fruta. Ela pode cheirar deliciosamente (essa é uma dimensão). Pode ser venenoso (isso é outra coisa). Outra dimensão ou duas do problema podem surgir na forma de um sinal social. Se um rato sentir o cheiro de uma baga no hálito de outro rato, então a baga provavelmente é comestível (dependendo da saúde aparente do outro rato). Um conjunto neural com seletividade mista será capaz de integrar tudo isso.

Atrair neurônios

Embora a seletividade mista seja apoiada por evidências abundantes – ela foi observada em todo o córtex e em outras regiões do cérebro, como o hipocampo e a amígdala – permanecem questões em aberto. Por exemplo, como os neurônios são recrutados para as tarefas e como os neurônios que têm a “mente tão aberta” ficam atentos apenas ao que é realmente importante para a missão?

Em um novo estudo, pesquisadores como Marcus Benna da UC San Diego e Felix Taschbach do Instituto Salk identificam as formas de seletividade mista que os pesquisadores observaram e argumentam que quando oscilações (também conhecidas como "ondas cerebrais") e neuromoduladores ( substâncias químicas como a serotonina ou a dopamina que influenciam a função neural) atraem neurônios para conjuntos computacionais, mas também os ajudam a “filtrar” o que é importante para esse propósito.

É claro que alguns neurônios são especializados para uma entrada específica, mas os autores observam que eles são a exceção, não a regra. Os autores dizem que essas células têm “seletividade pura”. Eles só se importam se o coelho vir a alface. Alguns neurônios exibem “seletividade linear mista”, o que significa que sua resposta depende previsivelmente da soma de múltiplas entradas (um coelho vê alface e sente fome). Os neurônios que acrescentam maior flexibilidade de medição são aqueles com “seletividade mista não linear”, que podem levar em conta múltiplas variáveis independentes sem a necessidade de somá-las. Em vez disso, podem ter em conta todo um conjunto de condições independentes (por exemplo, há alface, estou com fome, não ouço nenhum falcão, não sinto cheiro de coiotes, mas a alface está longe e posso veja uma cerca bastante forte).

Então, o que atrai os neurônios para se concentrarem em fatores significativos, não importa quantos existam? Um mecanismo é a oscilação, que ocorre no cérebro quando muitos neurônios mantêm sua atividade elétrica no mesmo ritmo. Esta atividade coordenada permite que as informações sejam compartilhadas, essencialmente sintonizando-as como um grupo de carros, todos tocando a mesma estação de rádio (talvez a transmissão de um falcão circulando no alto). Outro mecanismo que os autores destacam são os neuromoduladores. São substâncias químicas que, ao atingirem os receptores dentro das células, também podem afetar sua atividade. Por exemplo, uma onda de acetilcolina pode, de forma semelhante, preparar os neurônios com receptores correspondentes para uma atividade ou informação específica (talvez a sensação de fome).

“Esses dois mecanismos provavelmente funcionam juntos para formar redes funcionais de forma dinâmica”, escrevem os autores.

Compreender a seletividade mista, continuam eles, é fundamental para compreender a cognição.

“A seletividade mista é onipresente”, concluem. "Está presente em todas as espécies e desempenha uma variedade de funções, desde a cognição de alto nível até processos sensório-motores 'automáticos', como o reconhecimento de objetos. A ocorrência generalizada de seletividade mista destaca seu papel fundamental em fornecer ao cérebro o poder de processamento escalonável necessário para tarefas complexas pensamentos e ações." p>

Leia mais sobre o estudo na revista CELL