Shared symmetry detection with divergent temporal dynamics in marmosets and humans

A simetria é uma linguagem fundamental do mundo visual, um padrão que nossos cérebros parecem programados para reconhecer instantaneamente. É a imagem espelhada de um rosto, as asas equilibradas de uma borboleta ou os azulejos repetitivos em um piso. Por décadas, os cientistas sabem que o cérebro humano possui uma rede dedicada para detectar esses padrões, iluminando áreas específicas na parte posterior da cabeça quando os vemos. Mas uma questão central na biologia de como pensamos permaneceu sem resposta: essa habilidade é uma invenção humana especial ou um traço compartilhado herdado de nossos distantes ancestrais primatas? Para descobrir, os pesquisadores precisavam olhar dentro dos cérebros de outros primatas, mas fazer isso sem cirurgia invasiva era um grande obstáculo. Embora estudos anteriores em macacos tenham dependido de exames cerebrais que mostram o fluxo sanguíneo, eles não consegiam capturar o tempo elétrico de milésimos de segundo de como o cérebro processa um padrão.

Uma equipe de pesquisadores conseguiu agora preencher essa lacuna comparando como humanos e marmosetos comuns — um pequeno macaco do Novo Mundo — reagem à simetria visual. Eles focaram em dois tipos distintos de padrões: reflexão, que é como uma imagem de espelho, e rotação, onde uma forma se repete conforme gira. Ao usar um método não invasivo que registra sinais elétricos do couro cabeludo, eles descobriram que ambas as espécies compartilham uma habilidade rápida e automática de detectar simetria de espelho. No entanto, quando se tratou de rotação, as duas espécies divergiram. Enquanto os humanos mantinham uma resposta elétrica constante e sustentada a padrões rotativos, os cérebros dos marmosetos respondiam apenas brevemente antes de se acalmarem. Essa descoberta sugere que a maquinaria básica e rápida para detectar simetria é antiga e compartilhada entre os primatas, mas o processamento mais complexo e prolongado que os humanos usam para elaborar totalmente esses padrões pode ser um desenvolvimento posterior.

Para realizar essa comparação, os cientistas tiveram que superar um desafio técnico significativo: registrar sinais cerebrais claros de um macaco sem uma cirurgia que danificasse o cérebro ou exigisse o posicionamento diário de eletrodos. Eles projetaram uma grade personalizada e flexível de trinta e dois minúsculos sensores que foi fixada cirurgicamente diretamente ao crânio de três marmosetos adultos. Este dispositivo, que pesava apenas seis gramas, funcionou como uma janela permanente para a atividade elétrica do cérebro, permitindo que os animais fossem testados repetidamente ao longo de muitas sessões. Os marmosetos foram treinados para sentar calmamente em uma cadeira enquanto observavam uma tela, sendo recompensados com uma gota de suco por permanecerem imóveis. Ao mesmo tempo, um grupo de treze voluntários humanos observava exatamente as mesmas imagens em uma tela enquanto usava um capacete padrão de sensores.

As imagens mostradas a ambos os grupos foram cuidadosamente elaboradas com base em regras matemáticas de simetria. Alguns padrões se repetiam por espelharem a si mesmos através de uma linha, conhecidos como dupla reflexão. Outros se repetiam por rotação em torno de um centro, conhecidos como rotação de quatro ordens. Para garantir que o cérebro estivesse reagindo à simetria em si e não apenas a mudanças aleatórias na imagem, os pesquisadores alternaram essas imagens simétricas com versões embaralhadas que pareciam semelhantes, mas careciam do padrão. Eles mediram a resposta cerebral procurando por um pulso elétrico rítmico que combinasse com a velocidade com que as imagens piscavam. Como o cérebro responde de forma diferente à parte simétrica da imagem versus a simples mudança da imagem, os pesquisadores puderam separar os dois sinais.

Os resultados revelaram uma semelhança impressionante na forma como as duas espécies lidam com a simetria de espelho. Tanto nos marmosetos quanto nos humanos, o cérebro produziu um sinal elétrico forte e constante que durou enquanto o padrão espelhado estava na tela. Esse sinal era mais forte na parte posterior da cabeça, nas áreas de processamento visual, e seu tempo e força eram quase idênticos entre as espécies. Isso sugere que a habilidade de detectar reflexão é um traço conservado, provavelmente evoluído há centenas de milhões de anos para ajudar os primatas a reconhecer rostos, corpos e outras coisas vivas em seu ambiente.

No entanto, a história mudou quando os pesquisadores observaram os padrões rotativos. Enquanto o cérebro humano continuava a vibrar com um ritmo elétrico constante enquanto o padrão rotativo estava visível, o cérebro do marmoseto respondia de forma diferente. Os cérebros dos macacos disparavam um sinal rápido e agudo quando o padrão rotativo aparecia pela primeira vez, mas esse sinal desaparecia rapidamente, deixando o cérebro quieto pelo restante do tempo em que a imagem estava na tela. Essa diferença era específica para os padrões rotativos; os padrões de espelho ainda produziam a resposta longa e constante nos macacos. Os pesquisadores descartaram a possibilidade de que isso fosse devido aos macacos não prestarem atenção ou moverem os olhos, pois os padrões eram grandes e os movimentos oculares foram rastreados e controlados.

O estudo aponta para uma divergência específica em como os cérebros dos primatas processam informações visuais. A detecção inicial e rápida de simetria parece ser um mecanismo de alimentação direta (feedforward) compartilhado que funciona da mesma forma em ambas as espécies. Mas a capacidade de manter uma representação sustentada dessa simetria, particularmente para rotações mais complexas, parece depender de um tipo diferente de atividade cerebral que é robusta em humanos, mas mais fraca em marmosetos. Essa atividade sustentada provavelmente envolve sinais circulando de ida e volta entre diferentes partes do cérebro, um processo que pode ser menos desenvolvido em marmosetos do que em humanos ou seus parentes próximos, os macacos Rhesus.

Ao estabelecer que os marmosetos podem ser usados para estudar esses processos visuais complexos com a mesma precisão que os humanos, o estudo abre uma nova porta para a neurociência. O cérebro do marmoseto é liso e acessível, ao contrário dos cérebros dobrados dos macacos Rhesus, onde essas áreas visuais estão enterradas profundamente. Isso significa que, no futuro, os cientistas podem combinar esses registros de superfície com medições diretas e profundas dentro do cérebro para entender exatamente como esses circuitos funcionam. As descobertas confirmam que, embora compartilhemos uma base comum e antiga para ver a simetria, o cérebro humano adicionou uma camada de processamento sustentado que nos permite manter e elaborar esses padrões de maneiras que outros primatas podem não conseguir.