Como conseguimos reconhecer e usar milhares de objetos todos os dias?

Reconhecer objetos é essencial para a sobrevivência: animais dependem disso para encontrar alimento, fugir de predadores ou escolher parceiros. Nos humanos, esta capacidade tornou-se ainda mais complexa porque vivemos rodeados de objetos artificiais. Mas como é que o cérebro reconhece e organiza esta informação?

Uma equipa de investigadores liderada por Alessio Fracasso usou a ressonância magnética funcional (fMRI) e uma técnica chamada análise do campo recetivo populacional (que permite perceber como grupos de neurónios respondem a diferentes estímulos) para analisar como diferentes regiões do cérebro respondem a objetos manipuláveis, como martelos ou pinças. Testaram duas dimensões ligadas à ação: o tipo de preensão e a força necessária para usar o objeto.

Ao apresentar imagens de objetos ordenadas segundo estas dimensões, os cientistas observaram que as respostas cerebrais não eram aleatórias: formavam padrões contínuos, verdadeiros “mapas de conteúdo” (contentopic maps), tanto em áreas visuais ventrais como dorsais. Estes mapas são consistentes entre pessoas, específicos para cada dimensão, e independentes de outros mapas visuais, como os que representam a posição do objeto no campo de visão. Esta organização pode tornar o processamento mais rápido e eficiente, reduzindo custos energéticos e facilitando a discriminação entre objetos.

Os resultados sugerem que o cérebro utiliza a topografia não apenas para informação sensorial, mas também para aspetos funcionais dos objetos, fundamentais para ações do dia a dia. Esta descoberta abre caminho para novas abordagens na neurociência, na reabilitação motora e até na robótica, onde compreender como o cérebro codifica a interação com objetos pode inspirar sistemas mais inteligentes. Este estudo foi publicado na revista científica NeuroImage, no artigo Contentopic mapping in ventral and dorsal association cortex: The topographical organization of manipulable object information, no âmbito do projeto de investigação 203/20 - Dynamic eye-movement encoding in human cortex using ultra-high field fMRI (7Tesla), apoiado pela Fundação Bial.

ABSTRACT

Understanding how object information is neurally organized is fundamental to unravel object recognition. The best-known neural organizational principle of information is topographical mapping of specific dimensions. Such maps have been shown for sensorimotor information within sensorimotor cortices (e.g., retinotopy). Here we ask whether there are topographic maps – by analogy, contentopic maps – for mid-level object-related dimensions. We used functional magnetic resonance imaging and population receptive field analysis to measure tuning of neural populations to selected manipulable object-related action-based dimensions. We show maps in dorsal and ventral occipital cortex that code for the score of each object on each target dimension in a linear progression following a particular direction along the cortical surface. Maps for each dimension are distinct, are consistent across individuals, and are not exhausted by participant-specific eccentricity maps, nor by high-definition eccentricity maps derived from available databases. Thus, object information is potentially coded in multiple topographical maps – i.e., contentopic maps. These contentopic maps refer to intermediate level visual and visuomotor representations, potentially computed from the interaction of lower-level visual features through non-linear transformation following gestalt principles. This suggests that topography is a widespread and non-incidental strategy for the organization of information in the brain that leads to greatly reduced connectivity-related metabolic costs and fast and efficient readouts of information for stimuli discrimination.