Neurocientistas encontram maneiras mais naturalistas de estudar a visão

Mecanismos neurais subjacentes à organização temporal do comportamento animal naturalista. (A) Três fontes de variabilidade temporal no comportamento naturalista: hierárquica (de movimentos rápidos, sequências de ação comportamental, atividades lentas e objetivos de longo prazo), contextual (os tempos de reação são mais rápidos quando os estímulos são esperados) e estocástico (a distribuição da ação de ‘virar à direita’ em ratos que se movem livremente é enviesada para a direita). (B) Mecanismos neurais subjacentes a cada fonte de variabilidade temporal: variabilidade hierárquica pode surgir de redes recorrentes com distribuição heterogênea de tamanhos de clusters neurais; modulações contextuais da modulação de ganho neuronal; variabilidade estocástica de dinâmicas de atratores metaestáveis ​​onde as transições entre atratores são conduzidas por ruído de baixa dimensão, levando a distribuições assimétricas à direita dos tempos de permanência dos atratores. Crédito: eLife (2022). DOI: 10.7554/eLife.76577

Durante anos, os experimentos da neurociência dependeram de condições cuidadosamente controladas. Os ratos correm em pequenas esteiras, em vez de correr livremente. Ou eles são meticulosamente treinados para realizar tarefas fáceis de medir que não imitam seus comportamentos na natureza. Mesmo em experimentos humanos, as pessoas ficam sentadas dentro de uma máquina de ressonância magnética e observam imagens em uma tela.

Esses tipos de experimentos deram aos cientistas uma sólida compreensão fundamental de como o cérebro funciona. Mas eles também apagam grande parte da complexidade de realizar até mesmo comportamentos aparentemente simples. Os cientistas ainda não entendem como nosso sistema visual nos permite realizar ações cotidianas, como encontrar um lápis em uma mesa desordenada ou correr por uma trilha rochosa.

Assim, à medida que a tecnologia melhorou, os neurocientistas estão agora ultrapassando os limites dos experimentos tradicionais e estudando o cérebro de maneiras mais naturalistas. A neurocientista da UO Cris Niell faz parte desse movimento crescente. Em dois artigos recentes, sua equipe desenvolveu maneiras de estudar a visão de camundongos que representam de forma mais realista a maneira como os animais navegam pelo mundo além do laboratório.

“Em vez de pensar na visão como um exame óptico ou reuniões de zoom em uma tela de computador, estamos tentando estudar como a visão funciona no mundo real e tridimensional, onde nos movemos e interagimos com pessoas e objetos”, disse Niell.

No primeiro artigo, publicado em eLife, a equipe de Niell avaliou como os ratos julgavam a distância. Eles desafiam os animais a pular entre duas plataformas em uma grande lacuna. As plataformas variavam em distância, então, para cada salto, os ratos tinham que avaliar a situação e decidir o quão dramático seria o salto para se preparar.

Os animais não dependiam apenas de pistas visuais binoculares, descobriram os pesquisadores. Os ratos ainda podem dar o salto com um olho coberto, o que remove a pequena diferença nas imagens entre dois olhos que muitas vezes ajuda as pessoas a sentir a profundidade. Em vez disso, a equipe de Niell acha que os camundongos podem estar se aproveitando de um fenômeno chamado paralaxe de movimento: o efeito no qual objetos mais distantes parecem se mover mais lentamente do que os próximos.

Eles notaram que os camundongos que tinham um olho coberto passavam mais tempo explorando a lacuna movendo a cabeça para cima e para baixo, como um gato tentando pular para o topo de uma estante de livros. Os movimentos da cabeça permitem que os ratos usem paralaxe de movimento para avaliar a distância na ausência de pistas de profundidade binocular, propõem os pesquisadores. Uma configuração experimental mais controlada na qual a cabeça de um animal é mantida no lugar não teria capturado essa nuance.

“Tem havido muito ceticismo sobre as capacidades visuais dos camundongos, e acho que muitas das pesquisas até agora foram focadas na visão binocular porque é algo com o qual nos relacionamos muito”, disse Phil Parker, ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Niell que liderou os experimentos e agora está iniciando seu próprio laboratório na Universidade Rutgers. “Mas se você comparar o desempenho deles nas duas condições, o fato de eles não perderem o desempenho mostra que essas dicas (monoculares) são poderosas”.

Em um segundo artigo, publicado em Neurônio, a equipe projetou um sistema para registrar a atividade cerebral dos ratos enquanto explorava uma grande arena. Eles equiparam os ratos com uma câmera montada na cabeça, como uma pequena GoPro. A câmera gravou tanto o olho do rato quanto seu campo de visão, enquanto os eletrodos capturavam simultaneamente atividade cerebral.

Em seguida, os pesquisadores desenvolveram uma ferramenta de aprendizado de máquina para sincronizar as gravações dos eletrodos com o movimento do mouse e o posicionamento dos olhos. Eles podiam determinar para o que o rato estava olhando e como seu cérebro estava respondendo a qualquer momento.

Esse experimento permitiu que eles explorassem a complexidade de traduzir atividade neural em uma cena visual. Para o mouse, “a atividade neural não depende apenas do que você vê; também depende de onde você está olhando”, disse o estudante de pós-graduação Elliott Abe, que liderou o desenvolvimento da análise de aprendizado de máquina.

Ou seja, os fatores cerebrais tanto na posição dos olhos quanto na posição da cabeça, então a resposta neural ao ver o mesmo objeto diretamente à sua frente é diferente da resposta se você tiver que olhar para a esquerda ou para a direita para vê-lo. A combinação de pesquisa comportamental com registro neural permite que os pesquisadores entendam melhor como esses diferentes tipos de sinais são combinados no cérebro.

A equipe de Niell planeja desenvolver as técnicas e descobertas dos dois estudos em seu trabalho futuro em ratoscom prováveis ​​insights para o cérebro humanotambém.

“Acho que o que é realmente legal nessa direção é que, ao tentar estudar o mouse pelo que é o mouse, em vez de impor comportamentos e tarefas centrados no ser humano ao animal, na verdade nos permite relacionar a neurociência mais aos humanos do que poderíamos. antes”, disse Parker.

Como os cérebros de todos os animais precisam resolver desafios semelhantes, como descobrir a que distância algo está, estudar isso no comportamento natural do camundongo permite que os pesquisadores também generalizem os tipos de coisas que os humanos fazem naturalmente.

Como Niell e colegas escreveram em um artigo de revisão recente em Biologia Atual, “o comportamento natural é a linguagem do cérebro.” E, em contraste com os experimentos de laboratório típicos, é para isso que o cérebro evoluiu. Comportamentos naturais podem, portanto, fornecer um tipo de pedra de Roseta para entender como a visão funciona em todo o reino animal, inclusive em humanos.