Os cientistas reconstruíram vídeos curtos usando apenas a atividade cerebral gravada de ratos, permitindo aos pesquisadores recriar com eficácia o que os animais estavam vendo. O estudo, liderado por pesquisadores da University College London (UCL), oferece uma nova maneira de investigar como o cérebro transforma a informação visual em uma representação interna do mundo.
publicado em elifeAs descobertas podem ajudar os cientistas a compreender melhor como a informação visual é processada no cérebro e, eventualmente, tornar possível comparar como diferentes espécies veem o mesmo ambiente.
Decodificando o que o cérebro vê
Os pesquisadores passaram anos tentando entender como o cérebro interpreta os sinais provenientes dos olhos. Em estudos humanos, os cientistas mostraram imagens e filmes às pessoas enquanto registavam a actividade cerebral com fMRI, e depois utilizaram essas medições para tentar reconstruir a informação visual até ao nível de pixels individuais.
O novo trabalho tem uma abordagem diferente. Em vez de confiar em amplos sinais de imagem cerebral, os pesquisadores usaram gravações de células cerebrais individuais de camundongos. Essas medições unicelulares podem fornecer uma imagem mais detalhada de como a informação visual é apresentada no cérebro.
Usando a atividade gravada no córtex visual, a equipe conseguiu produzir reconstruções de alta qualidade de vídeos mostrados a ratos.
O autor principal, Joel Bauer (Sainsbury Wellcome Center da UCL), disse:”Queríamos uma maneira melhor de investigar como o cérebro interpreta o que vemos. As formas atuais de entender o que grupos específicos de neurônios estão representando não são muito generalizáveis para condições que não foram especificamente testadas. E assim, queríamos desenvolver um método que pudesse capturar o que está sendo representado no cérebro e compará-lo com a realidade. “
Os investigadores estão particularmente interessados na diferença entre o que está fisicamente presente num animal e como essa informação é apresentada dentro do cérebro. Estudar essas diferenças pode revelar quais características visuais o cérebro enfatiza, altera ou filtra.
Convertendo atividade neuronal em vídeo
Para reconstruir os filmes, o Dr. Bauer e seus colegas usaram um modelo de codificação neural dinâmica, originalmente desenvolvido por outra equipe de pesquisa para a competição Sensorium de 2023. O modelo foi projetado para prever como os neurônios individuais (células cerebrais) responderão quando os ratos assistem a filmes. Também leva em consideração outros fatores, incluindo movimentos dos animais e alterações no diâmetro da pupila.
Os pesquisadores da UCL refinaram então a abordagem usando o mesmo conjunto de dados. Primeiro, eles calcularam como se previa que os neurônios se comportariam se o rato estivesse olhando para uma tela em branco. Eles compararam essa previsão com a atividade real dos neurônios enquanto o rato assistia a um filme.
A atividade neural foi medida com um método de imagem microscópica que identifica quais células cerebrais individuais estão ativas, detectando aumentos locais nos níveis de cálcio.
Usando a diferença entre a atividade prevista e a medida, um algoritmo substituiu gradualmente os pixels do filme inicialmente em branco. A cada ajuste, o vídeo reconstruído tornou-se mais semelhante ao vídeo que foi realmente mostrado ao mouse.
Reconstruindo um novo filme de 10 segundos
Depois de treinar o modelo, os pesquisadores realizaram um teste mais difícil. Eles gravaram a atividade cerebral de um rato enquanto assistia a um vídeo que nunca foi incluído nos dados de treinamento do modelo.
Usando apenas essa atividade neural, o sistema reconstruiu um filme de 10 segundos do vídeo não visto.
Bauer disse: “Usando esta abordagem, conseguimos obter reconstruções de alta qualidade de videoclipes de 10 segundos. A precisão da reconstrução melhorou com a inclusão de dados de mais neurônios individuais, demonstrando a importância de dados neurais abrangentes.”
Os resultados mostraram que esse método não se limitava à memorização de vídeos exibidos anteriormente. Em vez disso, foi capaz de usar padrões de atividade neural para inferir informações visuais de uma nova cena.
Medir a correspondência entre os vídeos
Para avaliar as reconstruções, os pesquisadores usaram um método chamado correlação de pixels, que compara os pixels correspondentes nos filmes originais e reconstruídos.
A análise mostrou apenas pequenas diferenças no tempo dos dois vídeos. No entanto, os investigadores dizem que ainda há muito espaço para melhorar a resolução da imagem e a quantidade de detalhes visuais que podem ser reconstruídos.
O trabalho futuro centrar-se-á na recolha de dados que possam apoiar uma reconstrução mais rápida e cobrir uma parte maior do que os animais estão a ver.
Por que nosso cérebro não registra a realidade?
Os investigadores planeiam agora usar esta técnica para investigar uma questão mais profunda sobre a visão: quão diferente é a representação interna do cérebro do mundo que está realmente à nossa frente?
A visão não é apenas um processo de gravação como uma câmera. O cérebro interpreta, filtra e modifica continuamente as informações sensoriais recebidas. Compreender onde e como essas mudanças ocorrem pode revelar princípios importantes sobre a percepção.
Bauer concluiu: “Não temos representações perfeitas do mundo em nossos cérebros. O pipeline de processamento visual distorce e distorce nossas representações de uma forma que modifica a informação. Essa divergência entre a realidade e a representação no cérebro não é necessariamente um erro, mas sim uma característica que reflete como nossos cérebros interpretam e amplificam as informações sensoriais. Queríamos descobrir como isso acontece no cérebro.”
