Neurocientistas da Champalimaud resolvem quebra-cabeças com 160 anos

O espanhol Alfonso Renart,investigador principal do Centro Champalimau, liderou a equipa que descobriu uma nova lei da Psicofísica e resolveu o "quebra-cabeças" que foi até agora explicar a Lei de Weber.

A Lei de Weber (1860) está na origem da psicofísica e é a mais universal e bem comprovada regra matemática aplicada ao comportamento. Ao longo do tempo, muitos modelos foram propostos para a explicar, mas sem que uma abordagem experimental permitisse dar um deles como certo. Havia pois um quebra-cabeças por resolver. Agora, uma equipa de cientistas do Centro Champalimaud, em Lisboa, descobriu uma nova lei da Psicofísica, que estará na base da Lei de Weber. Os resultados da investigação foram publicados na revista Nature Neuroscience e nós conversámos com Alfonso Renart, investigador principal, que liderou esta equipa.

Texto de Catarina Pires | Fotografia de Reinaldo Rodrigues/Global Imagens

O que é a Lei de Weber e porque é que é tão importante?

Trata-se de tentar entender como funciona a perceção, os sentidos, e, nos anos 1860, Ernst Heinrich Weber fez uma descoberta que permitiu perceber a precisão dos sentidos e traduzi-la numa regra matemática. Quando ouvimos um som, conseguimos distinguir se é muito intenso ou pouco intenso, Weber queria estabelecer a precisão dessa perceção (isto aplica-se a todos os sentidos, visão, olfato, etc.) e para isso fez uma série de experiências em que as pessoas tinham que distinguir dois sons ou luzes ou pesos – diferentes estímulos sensoriais – e o que descobriu foi que o que determina a precisão da perceção quando se compara a intensidade de dois estímulos sensoriais é o seu valor relativo. Por exemplo, se um indivíduo acerta 75% das vezes quando compara um peso de 1 kg e um peso de 1,1 kg, também acertará 75% das vezes ao comparar um peso de 2 kg e um de 2,2 kg – e, mais geralmente, quando comparar qualquer par de pesos em que um deles é 10% mais pesado do que o outro. Esta regra simples e precisa permitiu a quantificação do comportamento em termos de “leis” matemáticas.

A Lei de Weber é simples e universal – funciona com todos os sentidos, com a perceção de passagem do tempo, da sensação de dor, da intensidade de som, de luz, de sabor, etc., – e explica que a exatidão da perceção sensorial da intensidade de dois estímulos depende sempre das diferenças relativas entre eles.

E porque é que isto é importante?

Porque um dos problemas principais dos organismos que têm perceção sensorial do que os rodeia é que a intensidade dos estímulos varia muito, muito, muito. Por exemplo, imagine que à noite apaga a luz de casa, passados uns segundos na escuridão, os olhos acostumam-se e são capazes de distinguir, só com um bocadinho de luz, o que o rodeia. Isto quer dizer que é preciso muito pouca diferença de intensidade para distinguir. Como tem que ser capaz de operar em condições em que a intensidade global varia muito, o organismo tem que ser capaz de eliminar a intensidade global e preocupar-se só com a intensidade relativa. E o que esta lei, simples e universal – funciona com todos os sentidos, com a noção de passagem do tempo, a perceção de dor, a perceção de intensidade sonora, de luz, de sabor, etc., – vem fazer é estabelecer a precisão dos sentidos e explicar que esta depende sempre das diferenças relativas. Se a diferença relativa é a mesma, então, quando a pessoa tem que fazer a comparação, a fração das vezes que está correta é a mesma, para todos os tipos de estímulos e para diferentes organismos, independentemente da intensidade global, é universal nesse sentido.

E qual era o quebra-cabeças que estava por resolver?

Como é uma lei genérica e universal, há muito tempo que se tenta entender como é que acontece. Imagine que falamos de som, os nossos ouvidos são capazes de distinguir a intensidade absoluta do som, se eu apresento um som muito baixinho ou muito alto, somos capazes de distinguir a intensidade absoluta, mas estava por desvendar qual o processo que ocorre no cérebro para este passar da perceção da intensidade absoluta à perceção da intensidade relativa. A chave era saber como passamos de perceber os valores absolutos da intensidade de um estímulo a uma perceção relativa, que foi o que a Lei de Weber quantificou. Foi isso que muitos cientistas ao longo do tempo tentaram entender: quais os processos cerebrais que ocorrem entre sentir os dois estímulos sensoriais e decidir qual é o mais intenso. Houve muitas propostas ao longo dos anos. O problema é que todas são diferentes e todas conseguem explicar a Lei de Weber.

O que descobrimos foi que há outra lei, outra regra precisa, que dá lugar à Lei de Weber e que é mais exata que esta. A nova lei da Psicofísica que encontrámos, e a que chamámos TIED (Equivalência Tempo-Intensidade na Discriminação), tem que ver com o tempo de tomar a decisão.

E como saber qual era a certa?

Aí é onde entramos nós. E o que descobrimos foi que, na realidade, há outra lei, outra regra precisa, que dá lugar à Lei de Weber e que é mais exata que esta. A nova lei da Psicofísica que encontrámos, e a que chamámos TIED (Time-Intensity Equivalence in Discrimination, em inglês; Equivalência Tempo-Intensidade na Discriminação, em português), tem que ver com o tempo de tomar a decisão. A Lei de Weber só respeita à quantidade de vezes que se acerta, tem que ver apenas com a precisão, não tem que ver com a duração da decisão. Então, o que descobrimos, fazendo experiências, é que há também uma regra precisa que descreve a duração da decisão. A TIED estabelece que, se temos que comparar dois estímulos com a mesma intensidade relativa (que, segundo a Lei de Weber, serão distinguidos corretamente em 75 por cento das vezes), apesar de a precisão ser a mesma nestas duas situações, o tempo que o sujeito leva a decidir não é a mesma. Os sujeitos são mais rápidos a tomar a decisão quanto maior for a intensidade global – se são dois sons intensos a decisão é mais rápida do que se forem dois sons menos intensos. Há uma relação entre os tempos de decisão e uma regra matematicamente muito exata.

Isso significa o quê?

Usando esta regra dos tempos de decisão, pode especificar-se os processos cerebrais de uma forma muito mais precisa do que com a Lei de Weber. Como referi antes, esta pode ser explicada de muitas formas e não havia uma maneira clara de distinguir qual era a correta. Pois bem, esta nova regra dos tempos – TIED – é tão precisa que só pode ser explicada de uma forma, que explica não só a relação entre os tempos de decisão como explica a própria Lei de Weber porque a inclui, está-lhe subjacente.

O mecanismo no cérebro usado para tomar decisões sensoriais tão simples como a intensidade relativa de dois estímulos é o mesmo que os cientistas pensam que está por detrás de decisões mais complexas.

Que caminhos abre esta descoberta?

Uma vez que se consegue entender estes processos cerebrais, o que percebemos é que o mecanismo no cérebro usado para tomar decisões sensoriais tão simples como a intensidade relativa de dois estímulos é o mesmo que os cientistas pensam que está por detrás de decisões mais complexas. Para dar um exemplo, uma das condições que têm estes mecanismos é que os sujeitos tomam a decisão sensorial acumulando informação no tempo – ao experimentar sons, o sistema auditivo tem que acumular a informação no tempo até que esta seja suficientemente grande para tomar uma decisão. Este mecanismo de acumulação é geral e aplica-se também nas decisões mais complexas. Portanto, de algum modo unifica o processo de tomada de decisão, ao mostrar que é muito parecido para decisões complexas e simples.

Ilustração de Diogo Matias

Como chegaram a esta descoberta?

Primeiro, fizemos experiências com ratos. Apresentámos sons nas duas orelhas ao mesmo tempo e treinámos os ratos para que nos dissessem qual dos sons era mais intenso. E demo-nos conta desta relação interessante entre os tempos de decisão. Depois, decidimos que havia que entender se isto era geral e fizemos a mesma experiência com sujeitos humanos e verificámos o mesmo: o comportamento dos ratos e o das pessoas era igual e podia ser descrito pela mesma regra matemática precisa. Além do som, também testámos com o odor e comprovámos que acontecia o mesmo ocorria. Há que fazer mais experiências, por exemplo com a visão, para comprovar que esta lei é tão geral como a de weber, mas verificar que para humanos e para ratos, tanto com som como com cheiro a regra matemática é a mesma, é um primeiro passo alentador. Esta foi a parte experimental. Houve ainda uma parte teórica que consistiu em construir um modelo matemático a partir daí, tentando perceber como pode ser explicado em termos de processos cerebrais com equações matemáticas. Isso foi determinante porque foi o que nos fez entender que, ao contrário da Lei de Weber, só havia uma explicação possível e pensamos que essa explicação é o que explica também a Lei de Weber.

O quebra-cabeças mantinha-se em aberto e agora houve um avanço importante, porque chegámos a esta regra nova e a hipótese é que a TIED é o que subjaz à Lei de Weber. A perceção e os sentidos, apesar de serem são complexas, podem ser entendidos de forma muito precisa.

Daí a ideia de terem resolvido o quebra-cabeças?

Sim, o quebra-cabeças mantinha-se em aberto e agora houve um avanço importante nesse sentido, porque chegámos a esta outra regra nova e a hipótese é que esta – a TIED – é o que subjaz à Lei de Weber. A perceção e os sentidos, apesar de serem são complexas, podem ser entendidos de forma muito precisa. Todo o mundo quer perceber como funciona o cérebro e a perceção e a ideia de que existem estas regras matemáticas muito precisas que descrevem como funciona a perceção é do interesse geral: saber que não é arbitrário, há uma descrição exata destes processos. Estas leis psicofísicas são regras precisas que descrevem aspetos da perceção e são úteis para entender os processos cerebrais. Daí que um dos nossos próximos objetivos seja perceber como é que o modelo matemático que identificaram é implementado pelo cérebro: Queremos determinar sistematicamente quais são as áreas cerebrais relevantes para a nossa tarefa sensorial e como os neurónios desses circuitos realizam os diversos elementos computacionais do modelo.