Evidências emergentes sugerem que o cérebro codifica o conhecimento abstrato da mesma forma que representa posições no espaço, o que sugere uma teoria mais universal da cognição.
Nós, humanos, sempre experimentamos uma conexão estranha – e estranhamente profunda – entre os mundos mentais e os mundos físicos que habitamos, especialmente quando se trata de memória. Somos bons em lembrar pontos de referência e configurações, e se dermos às nossas memórias um local para contexto, agarrar-nos a elas se torna mais fácil. Para relembrar longos discursos, oradores gregos e romanos antigos se imaginavam vagando por “palácios de memória” cheios de lembretes. Os campeões modernos de concursos de memória ainda usam essa técnica para “colocar” longas listas de números, nomes e outras informações.
Como disse o filósofo Immanuel Kant, o conceito de espaço serve como o princípio organizador pelo qual percebemos e interpretamos o mundo, mesmo de maneiras abstratas. “Nossa linguagem está repleta de metáforas espaciais para o raciocínio e para a memória em geral”, disse Kim Stachenfeld, neurocientista da empresa britânica de inteligência artificial DeepMind.
Nas últimas décadas, pesquisas mostraram que, por pelo menos duas de nossas faculdades, memória e navegação, essas metáforas podem ter uma base física no cérebro. Uma pequena estrutura em forma de cavalo-marinho, o hipocampo, é essencial para ambas as funções, e as evidências começaram a sugerir que o mesmo esquema de codificação – uma forma de representação baseada em grade – pode ser a base delas. Descobertas recentes levaram alguns pesquisadores a propor que esse mesmo esquema de codificação pode nos ajudar a navegar por outros tipos de informação, incluindo imagens, sons e conceitos abstratos. As sugestões mais ambiciosas chegam a aventurar que esses códigos de grade podem ser a chave para entender como o cérebro processa todos os detalhes do conhecimento geral, percepção e memória.
O Amnésico e os Hexágonos
Em 1° de setembro de 1953, Henry Molaison, um homem de 27 anos que o mundo viria a conhecer como “Paciente H.M.”, enfrentou a cirurgia em uma tentativa arriscada e experimental de curar um caso debilitante de epilepsia. Um neurocirurgião removeu o hipocampo e os tecidos circundantes das profundezas do cérebro de H.M., aliviando algumas de suas convulsões, mas inadvertidamente deixando-o com amnésia permanente. Até sua morte, mais de meio século depois, H.M. não conseguia codificar novas memórias: nem o que ele comeu no café da manhã, nem a manchete mais recente, nem a identidade do estranho a quem ele foi apresentado apenas alguns minutos antes.
A história de H.M., embora trágica, revolucionou a compreensão dos cientistas sobre o papel que o hipocampo desempenha na forma como o cérebro organiza a memória.
Anos depois, outra revolução centrada no hipocampo ocorreu e rendeu a seus pioneiros um Prêmio Nobel: as descobertas, com décadas de diferença, de dois tipos de células, que deixaram claro que as funções fundamentais da região do hipocampo incluíam não apenas a memória, mas também a navegação e a representação de espaços bidimensionais.
O primeiro deles veio em 1971, quando pesquisadores descobriram “células de lugar”, que essencialmente disparam para indicar a localização atual. John O’Keefe, neurocientista da University College London, e seus colegas monitoraram a atividade cerebral de ratos que vagavam livremente e observaram que alguns de seus neurônios disparavam apenas quando estavam em partes específicas de suas gaiolas. Alguns se tornaram ativos quando um rato farejou, digamos, o canto nordeste de seu cercado, mas permaneceu quieto; outros dispararam no centro da jaula. Ou seja, as células codificaram um senso de lugar (“você está aqui”) – e juntas, elas criaram um mapa de todo o espaço. (Quando o rato foi colocado em uma gaiola ou sala diferente, essas células “remapearam”, codificando diferentes posições locais.)
Essas descobertas inspiraram a proposta de que o hipocampo pode estar criando e armazenando “mapas cognitivos” (uma ideia apresentada pelo psicólogo Edward Tolman na década de 1940 para explicar como os ratos poderiam descobrir novos atalhos para recompensas em labirintos) além dos espaciais. No mínimo, o hipocampo parecia um lugar promissor para começar a procurar indícios de tais mapas.
Esse trabalho acabou levando um casal de cientistas da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia, May-Britt Moser e Edvard Moser, a dirigir sua atenção para o córtex entorrinal, localizado ao lado do hipocampo. A região fornece informações importantes para o hipocampo – e também é uma das primeiras áreas do cérebro a se deteriorar na doença de Alzheimer, que afeta a navegação e a memória. Lá, os pesquisadores descobriram o que chamaram de células de grade, que os especialistas agora acreditam ser o candidato mais atraente para o cartógrafo cognitivo.
Ao contrário das células de lugar, as células de grade não representam locais específicos. Em vez disso, eles formam um sistema de coordenadas independente da localização. (Como resultado, eles são popularmente conhecidos como GPS do cérebro.) Cada célula da grade dispara em posições regularmente espaçadas, que formam um padrão hexagonal. Imagine que o chão do seu quarto é revestido de hexágonos regulares, todos do mesmo tamanho, e cada hexágono é dividido em seis triângulos equiláteros. Conforme você caminha pela sala, uma das células da grade dispara sempre que você atinge um vértice de qualquer um desses triângulos.
Diferentes conjuntos de células de grade formam diferentes grades: grades com hexágonos maiores ou menores, grades orientadas em outras direções, grades deslocadas umas das outras. Juntas, as células da grade mapeiam cada posição espacial em um ambiente e qualquer local particular é representado por uma combinação única de padrões de disparo das células da grade. O único ponto onde várias grades se sobrepõem diz ao cérebro onde o corpo deve estar.
Este tipo de rede de grade, ou código, constrói um sentido mais intrínseco de espaço do que o lugar das células. Enquanto as células de posicionamento fornecem um bom meio de navegar onde há pontos de referência e outros locais significativos para fornecer informações espaciais, as células de grade fornecem um bom meio de navegação na ausência de tais pistas externas. Na verdade, os pesquisadores pensam que as células da grade são responsáveis pelo que é conhecido como integração de caminho, o processo pelo qual uma pessoa pode acompanhar onde ela está no espaço – o quanto ela viajou de algum ponto de partida e em que direção – enquanto, digamos, com os olhos vendados.
“A ideia é que o código da grade poderia ser algum tipo de sistema métrico ou coordenado”, disse Jacob Bellmund, neurocientista cognitivo afiliado ao Instituto Max Planck em Leipzig e ao Instituto Kavli de Neurociência de Sistemas na Noruega. “Basicamente, você pode medir distâncias com esse tipo de código.” Além disso, por causa de como funciona, esse esquema de codificação pode representar uma grande quantidade de informações de maneira única e eficiente.
E não apenas isso: como a rede de grade é baseada em relações relativas, ela poderia, pelo menos em teoria, representar não apenas muitas informações, mas também muitos tipos diferentes de informações. “O que a célula da grade captura é a instanciação dinâmica da solução mais estável da física”, disse György Buzsáki, neurocientista da Escola de Medicina da Universidade de Nova York: “o hexágono”. Talvez a natureza tenha chegado a essa solução para permitir que o cérebro represente, usando células de grade, qualquer relacionamento estruturado, de mapas de significados de palavras a mapas de planos futuros.
Teorias com base nesta descoberta levam-nos para o reino da intuição e das “coincidências”. Quando você encontra a pessoa certa no momento certo, isso poderia ser resultado do trabalho deste sistema interno de posicionamento global (GPS)?
Um papel em expansão para células de grade
“Temos pensado em como a maquinaria do hipocampo e do córtex entorrinal poderia ter um propósito mais geral”, disse Stachenfeld. “É uma ideia realmente poderosa, que você pode ter uma representação [célula de grade] da estrutura em geral e aplicá-la mais rapidamente a novas situações.” Isso, por sua vez, permitiria “se comportar de maneira mais eficiente, aprender muito mais rápido”.
Como os pesquisadores geralmente não podiam fazer medições diretas de neurônios individuais em seus assuntos de teste, eles tiveram que ser mais espertos com sua metodologia. Em 2010, por exemplo, os neurocientistas descobriram um certo tipo de sinal para procurar em imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) do cérebro como uma assinatura indireta da atividade das células da grade. Este sinal “hexadirecional” emerge em indivíduos navegando em um ambiente virtual. Acontece que também caracteriza outras tarefas, algumas espaciais, outras nem tanto.
Um dos primeiros exemplos veio com um comportamento que ficava entre os dois: a navegação no espaço visual. Quando os macacos, com as cabeças fixas no lugar, rastreavam imagens apenas com os olhos, os pesquisadores encontraram evidências da atividade das células da grade no córtex entorrinal. Trabalhos mais recentes em humanos descobriram a mesma assinatura hexadirecional, e alguns experimentos até apontaram outras propriedades mais diretas do código de grade já observado em tarefas de navegação física.
Princípios semelhantes também podem orientar como o cérebro codifica o tempo. Já se descobriu que o hipocampo contém células de lugar que também se comportam como neurônios de “células do tempo” em certas situações, ativando-se para indicar momentos sucessivos no tempo (em vez de posições sucessivas no espaço). Os ratos corriam por um labirinto, no qual uma seção envolvia trotar em uma roda ou esteira por um número predeterminado de segundos antes de continuar. Durante o intervalo em que os ratos corriam no mesmo lugar, sua localização real se mantinha constante, as células disparavam em seu hipocampo para monitorar sua progressão temporal: alguns neurônios estavam ativos nos primeiros segundos, outros nos próximos e assim por diante. A descoberta “traz o tempo como uma dimensão diferente para a equação”, disse Bellmund.
Mais recentemente, um trabalho publicado na Nature no verão passado apresentou evidências de um sistema de codificação que representa exclusivamente o tempo no contexto de memórias ou experiências. Uma equipe de pesquisadores, liderada pelos Mosers, descobriu um esquema de codificação de tempo que abrangia várias escalas, de segundos a horas. Embora nenhuma ligação explícita tenha sido feita entre a organização temporal e as células da grade, os cientistas viram indícios de uma conexão: as células da grade sinalizam o tempo decorrido em ratos correndo em esteiras, por exemplo.
No ano passado, uma equipe de cientistas da Universidade de Princeton trouxe outra dimensão potencial à mistura: o som. Eles monitoraram a atividade cerebral em ratos que estavam empurrando uma alavanca para mudar a frequência de um tom emitido para coincidir com um que haviam ouvido anteriormente. Suas observações sugeriram que os ratos podem estar navegando mentalmente por um “espaço acústico” em suas mentes para encontrar o tom desejado.
Talvez o mais tentador de tudo, um experimento conduzido em 2016 introduziu um contexto muito mais abstrato para o comportamento das células da grade. Pesquisadores liderados por Timothy Behrens, neurocientista computacional da Universidade de Oxford, fizeram as pessoas observar a silhueta de um pássaro em uma tela enquanto o comprimento de seu pescoço, o comprimento de suas pernas ou ambos eram esticados e comprimidos. O sinal hexadirecional surgiu em seus dados de fMRI, em várias áreas do cérebro; variava como se os assuntos de teste estivessem navegando em um “espaço de pássaros” bidimensional, onde um eixo denotava o comprimento do pescoço e o outro, o comprimento da perna.
A descoberta sugeriu que o cérebro processa as trajetórias através dos espaços físicos e conceituais da mesma maneira. Agora, pesquisadores como Behrens, Bellmund e o neurocientista Christian Doeller propõem que todo o conhecimento pode ser traçado dessa forma, em termos de características de interesse – que diferentes objetos, diferentes experiências e diferentes memórias podem ser organizados e percorridos com o código da grade.
“Parece ser bastante arbitrário as dimensões que ele pode mapear”, disse Bellmund. “O que é interessante é que parece ser tão geral em todos os domínios, mas o mecanismo parece ser preservado.”
Este trabalho, acrescentou Thomas Wolbers, neurocientista cognitivo do Centro Alemão de Doenças Neurodegenerativas, questiona a ideia de que as células da grade simplesmente constituem “um sinal de localização puro” – conectado e especializado. “Até agora, só vimos no espaço porque vimos apenas tarefas e paradigmas de navegação”, disse ele. “Pode ser muito mais onipresente.”
O poder da analogia
Uma área que viu alguns resultados preliminares intrigantes é o comportamento social. Pensamos na sociedade em termos espaciais o tempo todo: há escadas sociais para escalar, redes para construir e expandir, pessoas que consideramos “próximas” ou “distantes”. Agora, alguns grupos de pesquisa estão sondando as relações sociais em busca de evidências do código da grade.
Um estudo recente construiu um espaço bidimensional não muito diferente do experimento com pássaros: as pessoas jogavam um jogo de computador, interagindo com os personagens de maneiras que podiam mudar seus níveis de poder ou afiliação. Os pesquisadores descobriram que o hipocampo parecia rastrear as posições dos personagens naquele espaço, em relação ao assunto do teste. Embora o experimento não tenha determinado se o hipocampo está navegando por informações sociais em forma de grade, Matthew Schafer, um estudante graduado da Escola de Medicina Icahn no Monte Sinai atualmente trabalhando no projeto, espera encontrar o sinal hexadirecional revelador. (Ele e outros estão estudando agora como essa navegação pode ser interrompida ou afetada de outra forma em pessoas com doenças como o transtorno do espectro do autismo.)
Essas ideias também podem fazer valer a pena buscar pistas ocultas em outros tipos de metáforas espaciais: os neurônios além das células de lugar e das células da grade, afinal, também podem ter algo a contribuir. Existem células de direção da cabeça que disparam quando um animal aponta sua cabeça em uma direção específica e células de velocidade que indicam a taxa em que alguém se move através do espaço e até células de limite que representam a localização de paredes ou outras fronteiras ambientais.
Estudar esses neurônios em contextos mais abstratos pode gerar novos insights. Por exemplo, a atividade da célula limite foi relatada não apenas para os limites de um espaço físico, mas também para as bordas entre eventos separados em uma sequência temporal. Poderiam esses neurônios também desempenhar um papel na formação de fronteiras entre conceitos, na criação de domínios distintos de conhecimento no cérebro? Ou as células de direção da cabeça podem ajudar a orientar-se dentro de um determinado tópico? O potencial para tais analogias é enorme.
O mesmo vale para obter uma melhor compreensão das doenças e de outros estados. Wolber estuda o envelhecimento e, em um artigo publicado recentemente, ele e seus colegas examinaram como o código da grade de navegação espacial muda em pessoas idosas. Eles descobriram que o sinal se tornou menos estável, com a grade flutuando entre as orientações – e que as pessoas com grades menos estáveis também eram muito menos hábeis em manter o controle de sua localização relativa quando vendadas e conduzidas ao longo de um curso tortuoso. Wolbers sugere que, se o código de grade é usado para processar muitos tipos de informações e memórias, é possível que uma patologia que desestabiliza o sistema de grade espacial possa ter um efeito mais geral sobre a estabilidade da memória e outras áreas da cognição.
Ainda assim, “nesta fase”, alertou, “os dados disponíveis são escassos. Temos que ser cautelosos. ”
Kate Jeffery, neurocientista comportamental da University College London, concorda. Claro, o cérebro pode usar um sistema comum para codificar o conhecimento espacial e não espacial, se o último puder ser representado como variando continuamente em uma escala bidimensional. Mas também é possível que algumas tarefas cognitivas sejam tão complicadas e não naturais que o cérebro seja forçado a confiar em um análogo espacial como uma muleta para passar por elas. Talvez os experimentos sobre a frequência do som e pássaros estendidos tenham aproveitado esse recurso, disse Jeffery.
Uma estrutura unificadora
Para cimentar ainda mais as aplicações mais amplas do código de grade, os pesquisadores primeiro esperam descobrir como essas células podem estar funcionando em mais de duas dimensões, visto que o conhecimento de nível superior tende a envolver muito mais do que pares de qualidades, como comprimento do pescoço e perna comprimento, ou poder e associação. Isso é algo que está sendo examinado atualmente em morcegos voadores, que navegam por três dimensões em vez de apenas duas.
Alguns pesquisadores estão fazendo afirmações ainda mais ousadas. Jeff Hawkins, o fundador da empresa de inteligência de máquina Numenta, lidera uma equipe que está trabalhando na aplicação do código de grade não apenas para explicar as funções relacionadas à memória da região do hipocampo, mas para entender todo o neocórtex – e com ele, para explicar tudo de cognição e como modelamos cada aspecto do mundo ao nosso redor. De acordo com sua “teoria da inteligência dos mil cérebros”, disse ele, “o córtex não está apenas processando a entrada sensorial sozinha, mas sim processando e aplicando-a a um local”. Quando ele pensou pela primeira vez na ideia e em como as células da grade podem estar facilitando-a, ele acrescentou: “Eu pulei da cadeira, fiquei tão animado”.
Imagine fechar os olhos e envolver as mãos em um objeto não identificado: neste caso, uma xícara de café. Hawkins postula que o cérebro recebe informações sobre a posição de cada pedaço de pele tocando a superfície da xícara, em relação à própria xícara – da mesma forma que o código da grade permite que você saiba a posição do seu corpo no espaço, em relação à sala em que você está Cada pedaço de pele gera um modelo independente do que pode estar tocando; todos esses modelos são então cruzados para chegar à conclusão de que o objeto é de fato uma xícara de café.
Hawkins pensa que a mesma lógica pode ser aplicada a qualquer coisa com uma estrutura estruturada. “Tudo o que fazemos – planejamento, matemática, física, linguagem – seria baseado no mesmo princípio”, disse ele. “Acho que estamos no limite aqui, onde de repente teremos um novo paradigma para entender como o cérebro funciona.”
Embora a hipótese tenha despertado o interesse de outros pesquisadores, eles permanecem céticos de que as células da grade serão encontradas além da vizinhança do hipocampo, e dizem que Hawkins e sua equipe têm um longo caminho a percorrer para provar o poder de seu modelo.
Ainda assim, fornece um bom ponto de partida para pensar sobre como melhorar a inteligência artificial. Se a estrutura da grade for realmente geral, ela poderia ser imitada para construir máquinas que são muito mais flexíveis, criativas, gerais e poderosas.
O campo está apenas começando a lidar com essas noções. Por enquanto, os pesquisadores continuam investigando a atividade do hipocampo em uma série de contextos diferentes, na esperança de finalmente unir suas funções de memória e navegação de uma vez por todas. “Quando as ideias conceituais e cognitivas realmente começam a se conectar com os dados neurais de nível muito baixo”, disse Stachenfeld, “é realmente muito satisfatório”.
Publicado em 17/10/2021 12h15
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