Como o aprendizado hebbiano explica nossa lembrança de eventos passados

Uma colaboração entre os grupos de Física e Neurociências do SISSA deu um passo em frente na compreensão de como as memórias são armazenadas e recuperadas no cérebro. O estudo, publicado recentemente em Neurôniomostra que preconceitos perceptivos distintos – há muito pensados ​​como decorrentes de sistemas cerebrais separados – podem, de fato, ser explicados por um único mecanismo biologicamente fundamentado.

A pesquisa, liderada pelos professores Sebastian Goldt e Mathew E. Diamond, e pela primeira autora Francesca Schönsberg (agora cátedra de pesquisa júnior na École Normale Supérieure), reúne física teórica, modelagem computacional e neurociência comportamental para unir décadas de pesquisa fragmentada sobre memória perceptiva. Yukti Chopra e Davide Giana realizaram experimentos de laboratório para fornecer os dados empíricos contra os quais o modelo foi testado.

Decifrando o código da memória perceptiva

A memória perceptiva é a capacidade de extrair, armazenar e usar informações do mundo externo – um processo que nos permite compreender o que nos rodeia, incorporando o fluxo contínuo de informações sensoriais no conhecimento construído com base em experiências passadas. Os cientistas há muito estudam seus processos componentes através de diferentes paradigmas experimentais. Por exemplo, as tarefas de memória de trabalho investigam como comparamos dois estímulos apresentados em sequência, enquanto as tarefas de memória de referência envolvem julgar um estímulo atual em relação a um padrão interno fixo.

Apesar do objetivo comum de compreender a memória, essas tradições evoluíram separadamente, produzindo modelos distintos para cada tarefa. “Queríamos ver se essas diferentes formas de memória poderiam realmente refletir o mesmo processo neural subjacente”, diz Diamond. “Em outras palavras, poderia uma única rede cortical explicar o que parecem ser fenômenos comportamentais muito diferentes?”

Quando a percepção distorce a realidade

A equipe do SISSA encontrou seu fio condutor nos preconceitos perceptivos – distorções sistemáticas que revelam como as representações internas do cérebro divergem do mundo físico. Se a percepção fosse perfeitamente linear e precisa, ela simplesmente espelharia o ambiente externo, deixando poucos vestígios dos cálculos internos que moldam a nossa experiência. Mas como a percepção é sutilmente tendenciosa, essas distorções oferecem um vislumbre de como o cérebro transforma dados brutos em representações significativas.

Através das modalidades sensoriais, a percepção do estímulo atual mostra duas tendências paradoxalmente opostas. Em alguns contextos, ele é contraído em direção à memória de estímulos anteriores – um “puxão” conhecido como viés de contração. Em outros, a percepção é afastada do passado recente – um “empurrão” chamado viés de repulsão. Durante décadas, os cientistas debateram por que o cérebro deveria alternar entre esses efeitos aparentemente contraditórios.

Um único mecanismo por trás de preconceitos opostos

Para resolver esse quebra-cabeça, os pesquisadores combinaram modelagem computacional com dados comportamentais de humanos e roedores. O seu modelo – uma rede neural recorrente governada pela regra biologicamente plausível da plasticidade hebbiana (“células que disparam juntas ligam-se entre si”) – mostrou que tanto os vieses de contracção como de repulsão podem surgir naturalmente dentro do mesmo circuito.

“Em vez de assumir que o cérebro alterna entre sistemas distintos, mostrámos que uma rede, aprendendo continuamente através de regras locais simples, pode produzir ambos os efeitos”, explica Goldt. “A chave está em como as conexões sinápticas da rede se adaptam ao longo do tempo, codificando vestígios de atividades recentes que remodelam sutilmente a representação de novas entradas sensoriais”.

O modelo foi testado em quatro conjuntos de dados experimentais em três paradigmas: memória de trabalho, memória de referência e uma tarefa one-back recém-projetada. Sem ajustes finos ou parâmetros específicos de tarefas, a rede reproduziu os dados comportamentais notavelmente bem. Esta convergência entre modelo e experimento sugere que o mesmo mecanismo adaptativo pode estar subjacente a diversas expressões de memória perceptiva.

Lendo a mesma rede da mesma maneira

Talvez a descoberta mais surpreendente tenha sido que o que distingue as diferentes tarefas de memória não é o mecanismo subjacente de armazenamento de memória, mas, simplesmente, a forma como a escolha é realizada. Embora a atividade da rede seja lida sempre da mesma maneira, o mesmo circuito recorrente pode suportar demandas cognitivas muito diferentes, dependendo de qual aspecto de sua atividade é acessado pelos processos posteriores.

No paradigma da memória operacional, a atividade evolutiva da rede codifica um traço transitório do estímulo mais recente. O que a rede está codificando no momento em que o segundo estímulo é entregue determina se este é considerado mais forte ou mais fraco que o anterior. Na tarefa de memória de referência, a escolha depende de como a representação interna varia no deslocamento do estímulo.

O mesmo mecanismo neural subjacente, que, do ponto de vista teórico, dá origem a um atrator deslizante na dinâmica da rede, reproduz tanto os resultados como os obtidos na tarefa one-back – concebida pela equipa SISSA especificamente para testar o modelo – cada novo estímulo torna-se a referência da próxima tentativa, revelando a flexibilidade da rede na alternância entre papéis de memória.

Unindo disciplinas para compreender o cérebro

Ao demonstrar que um único circuito neural governado por regras de aprendizagem locais pode explicar os vieses de contração e repulsão, este trabalho fornece uma estrutura unificadora para a memória perceptiva. Desafia a noção de longa data de que efeitos cognitivos distintos devem surgir de sistemas cerebrais separados e, em vez disso, sugere que a aparente diversidade do comportamento perceptivo reflete diferentes manifestações da mesma dinâmica neural adaptativa.

“Este estudo exemplifica o que torna o SISSA único”, diz Diamond. “Podemos combinar física teórica e neurociência computacional no mesmo prédio, com interação diária entre pessoas que abordam as mesmas questões de ângulos muito diferentes”.

As descobertas destacam como a colaboração interdisciplinar – unindo modelagem e neurociência experimental – pode revelar os princípios gerais pelos quais o cérebro aprende com a experiência, forma memórias estáveis ​​e se adapta de forma flexível a novas situações.