Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Michigan descobriu uma rede neural que permite às moscas da fruta Drosophila melanogaster converter estímulos externos de intensidades variáveis em uma decisão de “sim ou não” sobre quando agir. A pesquisa, descrita em Current Biology, ajuda a decodificar o mecanismo biológico que o sistema nervoso da mosca da fruta utiliza para converter um gradiente de informação sensorial em uma resposta comportamental binária. Os resultados oferecem novos insights que podem ser relevantes para a forma como tais decisões funcionam em outras espécies, e podem até ser aplicados para ajudar as máquinas de inteligência artificial a aprender a categorizar a informação.
O autor de estudo sênior Bing Ye, PhD, membro do corpo docente do Instituto de Ciências da Vida da Universidade de Michigan (LSI), acredita que o mecanismo descoberto pode ter aplicações de longo alcance. “Há uma idéia dominante em nosso campo que essas decisões são tomadas pela acumulação de evidências, o que leva tempo”, disse Ye. “No mecanismo biológico que encontramos, a rede está interligada de forma a não precisar de uma fase de acumulação de provas. Ainda não sabemos, mas nos perguntamos se isso poderia servir como um modelo para ajudar a IA a aprender a classificar informações mais rapidamente”
Sim e colegas descrevem suas pesquisas em um artigo intitulado “Uma Base Neural para Categorizar Estímulos Sensoriais para Melhorar a Precisão da Decisão”
Imagine trabalhando perto de uma janela aberta. Se o ruído externo for baixo, pode ser quase imperceptível. Mas à medida que o nível de ruído aumenta gradualmente, ele começa a tornar-se mais perceptível e, eventualmente, o cérebro toma uma decisão sobre se deve subir e fechar a janela. Então, como o sistema nervoso traduz esse aumento gradual e linear de intensidade para uma decisão comportamental binária, “sim/não”? “Enquanto os estímulos sensoriais estão tipicamente presentes em amplas e graduais faixas de intensidade, as decisões dos animais sobre se devem responder aos estímulos são muitas vezes binárias”, observaram os autores. “Uma questão fundamental em neurociência é como tais conversões graduadas para binárias na tomada de decisão perceptual ocorrem no sistema nervoso central (SNC)”. Como o neurocientista Ye apontou, “Essa é uma questão realmente grande”. Entre a entrada sensorial e a saída comportamental está um pouco de ‘caixa preta’. Com este estudo, quisemos abrir essa caixa”
A imagem do cérebro em humanos ou outros mamíferos pode identificar certas regiões do cérebro que respondem a determinados estímulos. Mas o grande tamanho do sistema nervoso central dos mamíferos pode ser uma desvantagem. “Embora a tomada de decisão perceptual tenha sido estudada principalmente em mamíferos, o grande tamanho do SNC de mamíferos limita a resolução espaço-temporal na avaliação de atividades emergentes em todo o SNC”, os autores observaram. Para determinar como e quando os neurônios transformam informações lineares em uma decisão não linear, eles precisavam de uma análise muito mais profunda e quantitativa do sistema nervoso, disse Ye.
A equipe escolheu trabalhar com o organismo modelo Drosophila, para o qual as ferramentas genéticas disponíveis tornam possível identificar neurônios individuais respondendo a estímulos. Usando uma técnica de imagem que detecta a atividade neuronal através da sinalização de cálcio entre os neurônios, os cientistas foram capazes de produzir imagens 3D da neuroatividade de todo o sistema nervoso central das moscas. “… o tamanho pequeno do SNC larval de Drosophila, combinado com os recentes avanços em indicadores de cálcio geneticamente codificados (GECIs), permite o imageamento funcional de todo o SNC larval em resolução subcelular e subsegundo, o que faz da larva de Drosophila um modelo ideal para avaliar a atividade neural de todo o SNC na tomada de decisões perceptuais”, afirmaram os investigadores.
“O que vimos foi que, quando estimulamos os neurônios sensoriais que detectam estímulos prejudiciais, várias regiões cerebrais se iluminam em segundos”, disse Yujia Hu, PhD, uma investigadora do LSI e um dos autores principais do estudo. “Mas estas regiões cerebrais desempenham funções diferentes”. Algumas estão imediatamente processando informações sensoriais, outras provocam uma faísca no output comportamental – mas algumas são mais para este processo de transformação que ocorre no meio”
Os estudos mostraram que quando os neurônios sensoriais detectam os estímulos externos prejudiciais, eles enviam informações aos neurônios de segunda ordem do sistema nervoso central. Uma região do sistema nervoso em particular, chamada de núcleo medial posterior, foi encontrada para responder às informações sensoriais, seja mutando sinais menos intensos, ou amplificando sinais mais intensos, classificando efetivamente um gradiente de entradas sensoriais nas categorias “responder” ou “não responder”.
Os sinais assim são amplificados através do aumento do recrutamento de neurônios de segunda ordem para a rede neural – o que os pesquisadores chamam de amplificação escalonada. Um estímulo leve pode ativar dois neurônios de segunda ordem, por exemplo, enquanto um estímulo mais intenso pode ativar 10 neurônios de segunda ordem na rede. Essa rede maior pode então provocar uma resposta comportamental.
Mas para tomar uma decisão de “sim/não”, o sistema nervoso precisa de uma maneira não apenas para amplificar a informação (para uma resposta de “sim”), mas também para suprimir informações desnecessárias ou menos prejudiciais (para uma resposta de “não”). “Nosso sistema sensorial detecta e nos diz muito mais do que percebemos”, disse Ye, que também é professor de biologia celular e de desenvolvimento na Faculdade de Medicina da U-M. “Precisamos de uma forma de silenciar essa informação, ou teríamos constantemente uma amplificação exponencial”
Usando a imagem 3D, os pesquisadores descobriram que os neurônios sensoriais realmente detectam os estímulos menos prejudiciais, mas que a informação é filtrada pelo núcleo medial posterior, através da liberação de um químico que reprime a comunicação neurônio-neurônio. Com efeito, a rede neural suprime os sinais neurais causados por estímulos nocivos “mais fracos”, e amplifica aqueles causados por estímulos intensos. “… permitindo que os animais ignorem os estímulos fracos e escapem apenas dos danos reais”
Este mecanismo aumenta efetivamente a precisão nas decisões dos animais sobre se devem ou não escapar dos estímulos nocivos. “Neste estudo, identificamos uma rede neural que categoriza estímulos nocivos de intensidades graduais para gerar decisões de escape binário em larvas de Drosophila, e desvendamos um mecanismo de amplificação por portões que está subjacente a tal categorização binária”, os autores concluíram. “Ao responder aos estímulos nocivos, enquanto a falha em respostas rápidas pode causar danos, respostas de escape excessivas a estímulos insignificantes levariam à perda de recursos para a sobrevivência. O mecanismo de amplificação dos portões poderia reduzir as respostas a estímulos negligenciáveis, ao passo que a melhora das respostas a estímulos intensos. Desta forma, a precisão na decisão de escapar ou não dos estímulos é melhorada”