O que a tecnologia tem a ver com o seu cérebro: usando a matemática para explicar nossa evolução

outubro 18, 2018 por Gabriel Carvalho

Você dirige por uma estrada à noite e vê uma silhueta no acostamento. E então, você acha que é um animal, ou só uma placa? O seu cérebro é estruturado para escolher a decisão mais plausível dados os seus recursos limitados, de acordo com uma nova pesquisa que une ciência cognitiva e teoria da informação – o ramo da matemática que edifica a tecnologia da comunicação moderna.

O achado, que foi publicado na revista Science, é um fruto da pesquisa apoiada pela Fundação Nacional da Ciência com o objetivo de melhorar a pedagogia dos campos STEM, que muito dependem de expertise e habilidades perceptivas segundo Chris Sims, um professor assistente de ciência cognitiva no Instituto Politécnico Rensselaer.

“Veja por exemplo, a geologia, onde os estudantes aprendem a diferenciar vários tipos de rochas ou formações geológicas que podem ter todas uma aparência altamente similar. O método de aprendizagem é tipicamente composto de repetições – você observa os diferentes tipos de rochas até pegar o jeito. Mas compreender como o cérebro funciona nesses casos pode nos ajudar a aperfeiçoar os exercícios de treinamento em sala de aula dedicados a ensinar esse tipo de habilidade mais eficientemente”, diz Sims.

Uma lei canônica da ciência cognitiva, a Lei Universal da Generalização, introduzida em um artigo de 1987 também publicado na Science nos diz que o cérebro faz decisões perceptivas baseadas em quão similar o novo estímulo é à experiência anterior. Especificamente, a lei diz que a probabilidade de alguém estender a experiência anterior a um novo estímulo depende da similaridade entre ambas as experiências, presente e passada, com um declínio exponencial na probabilidade conforme a semelhança diminui. O padrão empírico provou-se correto nas centenas de experimentos entre diferentes espécies, incluindo humanos, pombos e até abelhas.

“Essa é uma equação fundamental e bastante sólida”, comenta Chris, “mas ainda que essa lei descreva o padrão empírico, ela não explica de forma adequada como ela acontece na natureza. E foi isso que eu quis fazer.”

Em sua pesquisa, Sims recorreu à teoria da informação, um ramo da matemática criado pela Bell Labs nos anos quarenta que torna possível predizer a melhor performance possível de um sistema de comunicação dados os seus próprios limites. Por exemplo, teoria da informação torna possível prever a maior precisão de voz possível que um cabo de telefone pode transmitir dado um específico nível de ruído dentro daquele sinal.

Baseando-se nos paralelos evidentes entre fios telefônicos e neurônios ruidosos, Sims vem usando a teoria da informação para compreender melhor os sistemas biológicos de comunicação da percepção e da memória. “A ideia é que a percepção visual é também um canal de comunicação: há a informação no mundo, e você precisa transmitir essa informação dos seus olhos para o seu cérebro.”

Assim como há limites para um sistema mecânico, também há limites para o biológico, e Sims também usou a teoria para descrever e predizer a melhor performance que poderia ser alcançada pelo sistema visual humano. Isso levou a uma conexão entre a Lei Universal da Generalização há muito estudada na ciência cognitiva e o campo da matemática.

Quando Sims estudou o sistema visual, ele descobriu que um aspecto bem conhecido dentro da teoria da informação conhecido como codificação eficiente pôde prever a mesma generalização exponencial que foi previsto na Lei Universal da Generalização. Seu trabalho então conectou os pontos entre as duas leis fundamentais dentro dos dois campos de estudo e agora sugere que a evolução nos deu um sistema perceptivo que se aproxima da excelência, segundo as leis matemáticas e a teoria da informação.

“Eu me dediquei em explicar o porquê desse padrão ocorrer na natureza, e a resposta de acordo com a teoria é de que a natureza nos deu os melhores sistemas de percepção possíveis, dadas nossas restrições e limites. É uma simples explicação pelo modo como podemos observar esse tipo de padrão em todo lugar e a descoberta é muito promissora.”

Os resultados podem ser usados para ajudar a desenvolver métodos de medição mais precisas nos campos da perícia e progressão perceptual, mas Sims disse estar satisfeito em fazer progresso na ciência fundamental. “Eu estou feliz por agora termos leis da matemática que também podem ser usadas para descrever e compreender o processo de informação do nosso cérebro, e a natureza da própria inteligência em geral.”

“Codificação eficiente explica a lei universal da generalização na percepção humana” foi publicado na Science e pode ser lido usando o DOI: 10.1126/science.aaq1118.

A pesquisa sobre a percepção humana cumpre o propósito da The New Polytechnic, um paradigma emergente para a educação superior que reconhece que os desafios e oportunidades globais são tão grandes que não podem ser adequadamente abordados individualmente nem mesmo pela pessoa mais talentosa do planeta. A Rensselaer serve como uma aliança para a colaboração – trabalhando com parceiros de diferentes disciplinas, setores e lugares do mundo – para enfrentar desafios complexos usando as tecnologias e ferramentas mais avançada à disposição, muitas desenvolvidas na própria Rensselaer. As pesquisas do instituto abordam alguns dos maiores desafios tecnológicos do mundo, da segurança da energia e desenvolvimento sustentável a biotecnologia e saúde humana. The New Polytechnic é transformadora no impacto global do ramo das pesquisas, na sua pedagogia inovadora e na vida de seus estudantes.