Oscilações cerebrais e estímulos ambíguos: os altos e baixos da nossa percepção do mundo

Uma questão recorrente em neurociência tenta explicar como o nosso cérebro processa os estímulos que recebemos do mundo exterior através dos nossos sentidos: visão, audição, tato… Várias cientistas concordam que, do ponto de vista filosófico, o cérebro só funciona da maneira como funciona porque está (intimamente) conectado com o que chamamos de realidade. E portanto, ainda que fossemos capazes de produzir uma máquina com as mesmas propriedades do cérebro, seria necessário incorporar a essa máquina certos sistemas sensoriais e alimentá-la com estímulos externos.

Por  outro lado, imagina-se (e até mesmo espera-se) que, enquanto vivencia diversas experiências sensoriais, o cérebro seja capaz de criar modelos para representar o mundo (e sobreviver nele) de maneira autônoma ou auto-supervisionada .

Sendo assim, podemos separar a atividade elétrica gerada no cérebro em dois tipos: uma atividade diretamente relacionada aos estímulos externos apresentados e uma atividade endógena (que se origina no interior do próprio organismo). Esta segunda, pela própria definição, não seria causada (apenas) pelos inputs do mundo exterior.

Um exemplo clássico dessa dicotomia é a ilusão de ótica gerada pelo cubo abaixo (também chamado cubo de Necker):

1200px-Necker_cube

1200px-Necker_cube2

Fig. 1 Cubo de Necker. Algumas vezes percebemos o cubo como se a parede destacada em azul estivesse mais próxima de nós. Outras vezes visualizamos a parede vermelha mais perto.

Apesar da imagem do cubo manter-se imutável, nossa percepção dela pode variar ao longo do tempo. Quando olhamos para o cubo, ocorre algo como um processo bi-estável no nosso sistema visual e ainda que nada esteja mudando na imagem podemos interpretá-la de duas maneiras diferentes. Portanto, é pertinente nos perguntarmos o que está mudando internamente. Ou qual o processo interno comandando esta mudança?

giphy_spinningdancer

Fig. 2: [Animação] Outro exemplo de bi-estabilidade na nossa percepção visual. Com alguma concentração, podemos ver a bailarina girar para um lado ou para o outro, embora o vídeo seja sempre o mesmo. Nesse caso o estimulo externo não é estático, mas é periódico.

Esse tipo de ambiguidade sensorial também pode ocorrer com estímulos sonoros. Lembra daquela brincadeira de ficar ouvindo alguém falar “cajá” repetidamente? Se não lembra, fala aí pra você mesma em voz alta: caja-caja-caja-cajacajacajaca-jaca-jaca. Em alguns momentos você escuta cajá e em outros jaca? O que você acha que está mudando dentro da sua cabeça?

Um trabalho recente (de autoria de quatro mulheres!) deu um passo bastante interessante na resposta dessa pergunta [1]. Elas mediram a atividade eletromagnética do cérebro de voluntários utilizando magnetoencefalografia (MEG) [2] enquanto eles ouviam repetidamente palavras como cajá e jaca. No caso do artigo os participantes falavam francês e ao invés de cajá-jaca o estímulo sonoro foi algo como “plan” e “lampe”.

As autoras pediram que os voluntários se concentrassem em uma das duas palavras possíveis em cada bloco da tarefa. Os resultados confirmaram que durante a tarefa, apesar do sinal acústico ser constante, os voluntários conseguiam manter-se por vontade própria ouvindo apenas uma das duas palavras (“plan” ou “lampe”).

Mais do que isso, elas mostraram que é possível diferenciar a percepção das duas palavras olhando apenas para o sinal eletromagnético gerado pelo MEG. Mas muuuuito mais do que isso, elas mostraram que o que diferencia o sinal gerado pelo nosso cérebro quando escutamos “lampe” do sinal gerado quando escutamos “plan” é a diferença de fase das oscilações cerebrais (veja a figura do artigo e a legenda abaixo).

AnneKosem

Fig. 3: Modificada da Ref. [1]: (A) Na esquerda, correlação entre a atividade do envelope de onda do estímulo sonoro externo e a atividade cerebral durante sequencias em que o voluntário escutava “plan” e outras em que escutava “lampe” para diferentes frequências. Na direita, onde a diferença entre o espectro “plan” e “lampe” é significativa.  (B) Correlação cruzada entre o estímulo sonoro externo e a atividade cerebral para as faixas de frequências em que a diferença era mais significativa. (C) Distribuição das diferenças de fase. Para frequências entre 100-115Hz, os sinais cerebral e acústico estão em fase para “plan” (barra vermelha em 0graus), enquanto que para “lampe” (azul) possuem uma diferença de fase média de 135 graus.

Posso explicar um pouco mais. É bem conhecido que durante diversas tarefas cognitivas os sinais elétricos do nosso cérebro são oscilatórios (algo parecido com uma função sen(θ) ou cos(θ)). No caso do artigo citado, as cientistas comparam as ondas geradas pelo cérebro com as ondas que representam o sinal sonoro emitido: o espectro de Fourier da gravação “plan-plan-planplanplanplanp-lanp-lanp-lampe-lampe” (que, vale enfatizar, é sempre o mesmo sinal).

Elas descobriram que para cada pessoa a diferença de fase entre o sinal cerebral e o sonoro no caso “plan” é um certo ângulo θ, enquanto que diferença de fase entre o sinal cerebral e o sonoro no caso “lampe”  é um outro ângulo α. Note que na Fig. 3C a barra vermelha marca o ângulo θ e a barra azul marca o ângulo α para este voluntário.  Ou seja, temos que para frequências de 100-115Hz  as diferenças de fase são θ=0 e α=135 graus. Enquanto que para frequências de 30-50 Hz as diferenças de fase são θ=145 e α=315 graus (ou equivalentemente -45 graus). Outros voluntários apresentaram outros valores para θ e α, mas de maneira consistente, cada pessoa codifica “plan” com uma fase diferente da que usa para “lampe”.

Com esses resultados as autoras mostraram que através de um processo endógeno somos capazes de alterar a fase da oscilação cerebral de maneira independente do estímulo exterior. Isso é uma grande descoberta sobre a funcionalidade da fase nas oscilações cerebrais. Até pouco tempo, muitos acreditavam que a diferença de fase nas oscilações da atividade elétrica de grupos de neurônios era devida apenas ao tempo de transmissão sináptico entre uma região e outra. E sendo assim, não deveria alterar-se ao longo de uma mesma tarefa cognitiva. Muito menos ser diferente para o mesmo estímulo externo como no estudo citado. Assim, parece que esse artigo contribui para fortalecer uma teoria que vem ganhando força nos últimos anos: a de que não apenas  as oscilações em diferentes frequências, mas também a diferença de fase dessas oscilações funcionam como graus de liberdade extras para processarmos ou codificarmos a informação no cérebro. E isso, mais do que nos permitir “ler a mente” e dizer se a pessoa está percebendo  “cajá” ou “jaca” é um grande avanço no entendimento de como percebemos tais coisas.

Enquanto isso, os mecanismos neuronais responsáveis por essa mudança ainda são objeto de estudo.

Aqui posso fazer uma especulação totalmente pessoal, baseada no que tenho visto dessa área, e puxar a sardinha  para os meus modelos neuronais preferidos. Eu apostaria alguns chicletes que o mecanismo biológico que está por trás desses resultados com diferenças de fase é a variação da intensidade das correntes sinápticas inibitórias na região do córtex auditivo. Mas, por enquanto, isso é só a minha hipótese e ficamos aguardando as cenas dos próximos artigos…

 

Referências

[1] Anne Kösem, Anahita Basirat, Leila Azizi, e Virginie van Wassenhove (2016). High-frequency neural activity predicts word parsing in ambiguous speech streams. Journal of neurophysiology, 116(6), 2497-2512.

Para ler outros trabalhos das autoras: Anne Kösem, Virginie van Wassenhove.

[2] Para ler mais sobre MEG: cilque aqui , ou aqui para ler em inglês.

 

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