Estudo com primatas lança luz sobre um mecanismo neural que separa o sinal do ruído no cérebro

Quando o cérebro é observado por meio de imagens, há muito “ruído”, que é a atividade elétrica espontânea proveniente de um cérebro em repouso. Isto parece ser diferente da atividade cerebral proveniente de estímulos sensoriais, mas o quão semelhante – ou diferente – é o ruído do sinal tem sido uma questão de debate.

Uma nova pesquisa liderada por uma equipe da Universidade de Tóquio desvenda ainda mais a relação entre o ruído gerado internamente e os padrões relacionados ao estímulo no cérebro, e descobre que os padrões de atividade espontânea e resposta evocada por estímulo são semelhantes nas áreas visuais inferiores do cérebro. córtex, mas gradualmente tornam-se independentes, ou “ortogonais”, à medida que nos movemos das áreas visuais inferiores para as superiores.

As descobertas não só melhoram a nossa compreensão do mecanismo que permite ao cérebro distinguir entre sinal e ruído, mas também podem fornecer pistas para o desenvolvimento de inteligência artificial resistente ao ruído, incorporando um mecanismo semelhante ao encontrado no cérebro biológico. O estudo está publicado na revista Comunicações da Natureza.

“O cérebro é muito barulhento”, disse o professor Kenichi Ohki, da Escola de Pós-Graduação em Medicina. “Ele está constantemente ativo, mesmo sem quaisquer informações sensoriais. Apesar do ruído, nossa percepção sensorial é muito estável. Estávamos interessados ​​no mecanismo pelo qual o cérebro lida com o ruído gerado internamente para alcançar uma percepção estável.”

Uma relação ortogonal, ou independente, entre esse ruído interno do cérebro e os sinais relacionados ao estímulo explicaria como a percepção sensorial permanece estável.

Para testar qual teoria explica a relação entre o ruído cerebral e a atividade relacionada ao estímulo, os pesquisadores observaram macacos saguis, que possuem um neocórtex achatado (a maior região do cérebro dos primatas) que facilita a observação de áreas corticais envolvidas nas funções superiores do cérebro. . Eles injetaram um vírus que carrega um indicador de cálcio geneticamente codificado chamado GCaMP, que inclui uma proteína verde fluorescente ligada a íons de cálcio que destaca a atividade cerebral em exames de imagem.

No início, a atividade cerebral espontânea parecia ondas com padrões espaciais irregulares. Esta atividade irregular parece ser uma característica geral dos cérebros dos primatas. O ruído espontâneo e a atividade relacionada ao estímulo pareciam semelhantes nas áreas corticais inferiores, o que é consistente com pesquisas anteriores. No entanto, à medida que os investigadores olharam mais de perto para uma área cortical superior, uma parte do cérebro dos primatas que ajuda os macacos a processar uma imagem em movimento, houve menos semelhanças entre os dois tipos de atividade cerebral.

A imagem celular e a análise da atividade neural encontraram uma hierarquia que ajudou a separar o ruído cerebral e os sinais relacionados ao estímulo.

“A estrutura hierárquica da rede cortical é crucial para separar o ruído interno das saídas sensoriais. Este processo de separação é chamado de ortogonalização, “disse o agora professor Teppei Matsui da Escola de Pós-Graduação em Ciências do Cérebro da Universidade Doshisha em Kyoto, que foi professor no Escola de Pós-Graduação em Medicina da Universidade de Tóquio no momento desta pesquisa.

Olhando para o futuro, os investigadores esperam continuar a estudar o cérebro para compreender esta relação ortogonal e esperam compreender o que isto significa para a inteligência artificial. Ao contrário das redes neurais artificiais, a atividade espontânea é uma característica do cérebro biológico.

“O próximo passo é identificar circuitos neurais neocorticais críticos para a ortogonalização hierárquica”, disse Ohki. “Também esperamos que a presente descoberta contribua para o desenvolvimento de uma nova inteligência artificial resistente ao ruído”.