Ondas cerebrais viajantes na visão: como elas constroem o que vemos

Neurocientistas defendem que as ondas de atividade elétrica que varrem o cérebro são, de fato, parte do “trabalho” da visão. Segundo os autores, essas ondas cerebrais viajantes montam a imagem do mundo que cada pessoa enxerga.

Isso coloca no centro da percepção um tipo de sinal que por muito tempo foi deixado em segundo plano. E também oferece uma explicação para um fenômeno comum: algo pode estar totalmente visível e, ainda assim, passar despercebido - dependendo de onde, naquele momento, a onda estiver.

Ondas cerebrais durante a visão

Por décadas, essas ondas pareceram apenas uma peculiaridade de cérebros sob anestesia. A interpretação dominante era que elas se dissipavam quando o animal acordava.

Essa ideia ruiu em 2020, quando John Reynolds, doutor e neurocientista do Salk Institute for Biological Studies, liderou a equipe que derrubou a suposição.

O grupo registrou ondas atravessando o córtex visual de animais acordados e em atividade. Essa é a faixa de tecido na parte posterior do cérebro responsável por processar a visão.

Os animais eram saguis - pequenos macacos treinados para detectar alvos fracos em uma tela. As ondas surgiam espontaneamente, sem que houvesse algo no monitor para dispará-las. Elas avançavam a menos de dois pés por segundo (0.6 metros por segundo), uma velocidade comparável à de um sinal que percorre uma fibra nervosa nua.

A posição ocupada pela onda no exato instante em que o alvo aparecia antecipava se o animal diria que o viu. Com isso, o fenômeno deixou de parecer um artefato de registro e passou a ter impacto real no comportamento.

Perguntado pelo Earth.com sobre o que mais o surpreendeu, Reynolds afirmou: “When a traveling wave puts a patch of visual cortex into a more excitable state, neurons there respond more strongly to a faint visual target and that target is much more likely to be seen.”

Isso, porém, abriu uma pergunta ainda mais difícil: por que o cérebro se daria ao trabalho de produzir essas ondas?

A fiação por trás da visão

A resposta começa pela anatomia. Apenas cerca de 5% das conexões que alimentam um neurônio no córtex visual levam sinais vindos dos olhos.

Aproximadamente 80% chegam por conexões horizontais. Essas fibras correm de lado, conectando o neurônio a outros ao longo da mesma lâmina de tecido. A maior parte delas vem de células situadas em uma pequena região vizinha.

Fibras laterais são lentas. Um sinal demora mais para alcançar um vizinho distante do que um vizinho próximo. Essa combinação de fiação local com atraso já basta para gerar uma onda.

Assim, o córtex visual não funciona principalmente como um “tubo” que empurra imagens para níveis superiores. A maior parte de sua conectividade é usada para o próprio córtex “conversar” internamente - e as ondas são como essa conversa aparece para quem observa de fora.

Uma revisão anterior, assinada por vários dos mesmos autores, já havia reunido evidências de padrões parecidos muito além do sistema visual.

O que as ondas calculam

A nova síntese reúne biologia e modelagem computacional em uma explicação única - algo que ainda não tinha sido organizado em um só arcabouço. Nela, as ondas recebem quatro funções.

Duas dizem respeito ao presente. As ondas modulam a percepção instante a instante e integram a entrada recente em uma representação interna do cenário.

As outras duas se estendem no tempo. As ondas criam previsões de curto prazo sobre o que está por vir e armazenam e reproduzem sequências que funcionam como memórias de acontecimentos.

A proposta de previsão já foi testada em simulação. Em um trabalho anterior, uma rede foi construída com arquitetura semelhante à do córtex, com conexões locais e atrasos que aumentavam com a distância. Um clarão de luz na entrada fazia surgir uma onda.

Um software que examinou a atividade da rede depois que o clarão desapareceu conseguiu recuperar exatamente onde e quando ele tinha ocorrido. Quando as conexões laterais eram removidas, o desempenho caía ao nível do acaso. Quando elas eram aleatorizadas, a rede mantinha o tempo, mas perdia o local.

Depois de treinar a rede com um filme curto, o sistema passou a gerar o restante apenas com base na própria fiação. Ele produziu até 100 imagens futuras sem qualquer entrada adicional. Ao embaralhar conexões e atrasos, as ondas desapareciam - e a previsão junto com elas.

Em um e-mail ao Earth.com, Reynolds disse: “The new idea is that these waves themselves are doing computation.”

A experiência molda a visão

As ondas são apenas metade da explicação. As conexões que as produzem mudam de força conforme são usadas, e os autores argumentam que é aí que o mundo externo acaba registrado.

Cada visão e cada movimento ajustam levemente essas conexões. Ao longo de meses e anos, o circuito absorve regularidades do que o mundo faz de forma consistente.

Objetos mantêm sua forma em três dimensões. As imagens deslizam pela retina sempre que ela se move. A física se comporta do mesmo modo que ontem. Nada disso precisa ser recalculado do zero se a fiação já parte dessas suposições.

Reynolds explicou ao Earth.com: “You never experience the world directly. Your brain builds an internal model of the world, based on experience, expectations, and sensory evidence.”

Ele compara isso aos modelos de linguagem de grande porte. Esses sistemas assimilam padrões estatísticos do texto e depois produzem escrita que segue essas regularidades.

Um modelo gerativo feito de tecido cerebral faria algo equivalente com a visão. Em vez de apenas rotular imagens estáticas, ele “faz o mundo andar” para a frente.

Sempre meio segundo atrás

A implicação prática aparece em tudo o que é rápido. Um arremesso da liga principal percorre 60 pés (18.3 metros) em aproximadamente 400 milissegundos.

Imagine que o cérebro precise de 150 milissegundos para enxergar a bola e calcular para onde ela está indo. Nesse intervalo, a bola já avançou mais de 22 pés (6.7 metros).

Um rebatedor que golpeasse onde a bola estava inevitavelmente erraria. Ondas que correm adiante do sinal que chega podem ser um jeito de reduzir essa defasagem.

Cientistas descrevem essas ondas há décadas, mas sua função permaneceu em disputa na maior parte desse período. Esta revisão propõe uma explicação específica para o que elas calculam e para como o circuito realiza isso.

Testando a teoria

Isso dá aos modeladores algo objetivo para colocar à prova. Por muito tempo, modelos de visão trataram neurônios como detectores fixos, cada um esperando “seu” traço aparecer. A dinâmica de ondas coloca a fiação lateral no centro. Ela também produz previsões verificáveis sobre velocidade e extensão espacial das ondas.

Os autores escolheram a visão porque é o sentido mais bem mapeado. Mas a mesma lógica de conectividade se repete por toda a camada externa do cérebro.

Em conversa com o Earth.com, Reynolds destacou: “One broader message from the review is that traveling-wave dynamics are not confined to a single brain area or function.”

Atividade semelhante aparece em áreas ligadas a movimento, planejamento e memória. O próximo teste é direto: pesquisadores agora podem tentar interromper padrões específicos de ondas em animais acordados e em pessoas, e então observar o que muda na percepção.

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