Cientistas do MIT descobriram como o cérebro se reorienta

“As ondas giratórias agem como rebanhos que conduzem o córtex de volta ao caminho computacional correto”, disse o autor sênior do estudo, Earl K. Miller.

Thamal Patapayal, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Bigover, liderou o trabalho, que foi publicado no dia 3 de novembro. Jornal de Neurociência Cognitiva.

‘Ciclos’ matemáticos…

Em experimentos, os animais realizaram uma tarefa de memória operacional visual enquanto ocasionalmente encontravam um dos dois tipos de distratores. Como esperado, essas distrações atrapalharam o desempenho – às vezes levando a erros ou tempos de reação mais lentos para os animais responderem. Durante a tarefa, os cientistas monitoraram os sinais elétricos de centenas de neurônios no córtex pré-frontal, uma região do cérebro envolvida na tomada de decisões e no pensamento complexo.

Para compreender como esta atividade neural mudou ao longo do tempo e sob diferentes condições (com e sem distração, durante performances precisas ou imprecisas), a equipe utilizou um método matemático. Codificação de subespaço. Esta técnica mostra como grupos de neurônios coordenam sua atividade, revelando padrões de organização.

“Como as estrelas murmurando no céu”, disse Miller.

Após cada distração, os pesquisadores observaram um padrão de turbilhão dentro do subespaço, como se essas “estrelas” se reformassem após se dispersarem. Segundo Miller, este movimento circular representa a recuperação do estado integrado do cérebro após uma interrupção.

O grau de rotação também previu o desempenho da tarefa. Quando a distração não causava erro, a atividade neural fazia um círculo completo, sinalizando recuperação total. Mas quando o desempenho da distração era prejudicado, o círculo ficava incompleto (30 graus em média) e os ciclos moviam-se lentamente. Esse ritmo lento reflete a incapacidade do cérebro de recuperar totalmente o foco.

Outra observação foi que a recuperação melhorou quando passou mais tempo entre a distração e a resposta necessária. Os dados mostram que o cérebro precisa dessa pausa para completar seu ciclo no espaço matemático e recuperar o foco neural e comportamental.

A codificação subespacial revelou que os neurônios se comportam de maneira cíclica e altamente coordenada, o que ajuda a manter a atenção. Curiosamente, esses ciclos apareceram apenas quando ocorreram distrações (independentemente do tipo de distração) e não surgiram espontaneamente.

…reflete os ciclos físicos no cérebro

A codificação subespacial é uma representação matemática abstrata da atividade neural ao longo do tempo. Mas quando os investigadores analisaram medições físicas diretas da atividade neural, descobriram que na verdade refletiam uma onda real e viajante que circulava por todo o córtex. Múltiplas medições mostraram que a atividade neuronal tinha um padrão espacial com ângulos em constante mudança, consistente com uma onda de atividade percorrendo o eletrodo cortical. Na verdade, a onda real gira na mesma velocidade que aquela representada matematicamente no código do subespaço.

“Em princípio, não há razão para que uma rotação neste subespaço matemático corresponda diretamente a uma rotação na superfície da crosta”, disse Miller. “Mas acontece. Isso me sugere que o cérebro usa essas ondas viajantes para realmente fazer computação, computação analógica. A computação analógica é mais eficiente em termos de energia do que soluções digitais e biologicamente eficientes em termos de energia. É uma maneira diferente e natural de pensar sobre a computação neural.”

Além de Miller e Patabial, os outros autores do artigo são Scott Brincott, Jacob Donoghue, Michael Lundqvist e Meredith Mahnke.

O financiamento para o estudo veio do Office of Naval Research, do Simons Center for the Social Brain, da Freedom Together Foundation e do Pickover Institute for Learning and Memory.