As lentes virtuais das cobras

Os crotalíneos como esta cascavél, de nome científico Crotalus willardi obscurus, são uma família de cobras que apresentam duas cavidades, entre cada uma das narinas e cada um dos olhos, onde se encontram membranas sensíveis à radiação infravermelha, isto é ao calor. Essa pequena fossa vê-se claramente na imagem. Estes termoreceptores permitem às serpentes produzirem das suas presas imagens no infravermelho. Ora, não possuindo uma lente, as imagens seriam em princípio semelhantes às que se obtêm numa câmara que produz fotografia estenopeica. [... ler mais]

Neste tipo de fotografia, uma abertura muito pequena, tipicamente com menos de meio mílimetro de diâmetro, deixa passar a luz para dentro de uma caixa onde produz uma imagem invertida. Em inglês este tipo de câmaras são designadas por pinholes, ou seja buraco de alfinete. As caixas estenopeicas são populares, por exemplo, para ver eclipses por projecção da imagem. O problema é que, no caso da serpente, para conseguir infravermelhos suficientes para produzir uma imagem em tempo útil, a abertura tem que ser bastante maior que um buraco de alfinete, e a qualidade das imagens deveria ser muito má. Mas na verdade não é isso que se passa, e Andreas B. Sichert e colegas num artigo na Physical Review Letters (ref1) explicam porquê.

Se os termoreceptores funcionassem como uma câmara estenopeica clássica, confrontada com o coelho na imagem abaixo à esquerda, da autoria do pintor Albrecht Durer, uma cascavel veria o borrão que se encontra à direita.


O desempenho de um tal sistema seria muito pobre. Contudo, na natureza, as cobras comportam-se como se conseguissem discriminar detalhes muitíssimos menores. Afinal, têm que ser capazes de acertar num rato a uma distância da ordem de um metro. As cobras, pelos vistos, terão um elaborado sistema de tratamento de imagens implementado no seu cérebro. O problema é que as serpentes têm "pouco" cérebro. O que os autores do artigo investigaram foi exactamente quão grande precisa de ser o número de neurónios para produzir uma imagem decente no infravermelho. Aparentemente pode ser bastante pequeno. Numa tradução livre do resumo do artigo:

Dois grupos de cobras possum um sistema de detecção no infravermelho que é utilizado para criar uma imagem de calor do seu ambiente. Nesta Letter apresentamos um modelo de reconstrução explícita, a "lente virtual", que explica como a serpente pode ultrapassar as limitações ópticas de uma câmara estenopeica de grande abertura, e como as propriedades dos campos receptores na membrana sensível ao infravermelho podem explicar o desempenho comportamental deste sistema sensorial. O nosso modelo explora a qualidade óptica do sistema de infravermelhos mostrando em detalhe como se pode criar uma representação funcional das propriedades térmicas do ambiente. O modelo é fácil de implementar do ponto de vista neuronal e está em bom acordo com os dados neuronais, fisiológicos e comportamentais, disponíveis sobre o sistema de infravermelho das cobras.

O que os cientistas fizeram foi algo indirecto. O que eles mostraram não foi exactamente o que as serpentes fazem, mas que um animal com um cérebro tão pequeno como uma cobra poderia implementar apesar de tudo um algoritmo muito eficiente para o tratamento de imagens. Os autores assumem que os detectores de calor em cada uma das fossas termoreceptoras fazem "disparar" um sinal num neurónio. A taxa de "disparo" varia com os sinais sentidos nos outros receptores, e, usando um algoritmo bastante simples para "afinar" a interacção dos cerca de 2,000 sensores de calores presentes nas membranas, Andreas B. Sichert e colegas conseguiram imagens de um detalhe impressionante. A imagem abaixo mostra como a mesma imagem do coelho seria vista por uma cascavel virtual. É notável, consegue já distinguir-se a forma do animal.


Este processamento de imagem exige apenas uns poucos milhares de neurónios. É óbvio que as cobras utilizarão um algoritmo algo diferente do desenvolvido por Andreas B. Sichert e colegas. O que o trabalho mostra é que a tarefa está ao alcance das capacidades mentais de uma cobra. Não é preciso uma lente para produzir imagens de boa qualidade no infravermelho quando se tem um cérebro, por muito pequeno que seja. As aplicações prácticas deste estudo são óbvias e vão para além da compreensão da visão das cobras.

Ficha técnica
Foto de Crotalus willardi obscurus tirada por Robert S. Simmons da USFWS, pode ser encontrada na Wikimedia Commons, aqui.

Referências
(ref1) Andreas B. Sichert, Paul Friedel, and J. Leo van Hemmen (2006). Snake's Perspective on Heat: Reconstruction of Input Using an Imperfect Detection System. Phys. Rev. Lett. 97, 068105. Laço DOI.