Resumo: Nosso cérebro é comparado a uma orquestra na qual os neurônios atuam como músicos criando uma sinfonia de pensamentos e memórias.
Um estudo recente revela o maestro por trás dessa sinfonia: campos elétricos. Esses campos são gerados pela atividade elétrica combinada dos neurônios e são orquestrados em redes funcionais.
Esta pesquisa lança luz sobre o complexo funcionamento interno do cérebro e pode ter implicações para o futuro das interfaces cérebro-computador.
Fatos importantes:
- Os campos elétricos gerados pela atividade elétrica coletiva dos neurônios coordenam as informações nas principais regiões do cérebro.
- Esse processo é ativado por um mecanismo chamado ‘acoplamento efáptico’, que pode afetar o pico de neurônios e, portanto, sua sinalização para outros neurônios.
- As descobertas podem melhorar nossa capacidade de ler informações do cérebro e ter implicações para o desenvolvimento de próteses controladas pelo cérebro.
Fonte: Instituto Picow para Aprendizagem e Memória
A metáfora do “circuito” do cérebro é tão inegável quanto familiar: os neurônios fazem conexões físicas diretas para criar redes funcionais, como armazenar memórias ou produzir pensamentos.
Mas mesmo a metáfora está incompleta. O que faz esses circuitos e redes se unirem? Novas evidências sugerem que pelo menos parte dessa coordenação vem de campos elétricos.
O novo estudo em córtex cerebral mostra que, ao jogar jogos de memória de trabalho em animais, a informação sobre o que eles lembravam era coordenada em duas regiões-chave do cérebro pelo campo elétrico que surgiu da atividade elétrica subjacente de todos os neurônios envolvidos.
O campo, por sua vez, parecia conduzir a atividade neuronal, ou flutuações de voltagem através das membranas celulares.
Se os neurônios são os músicos de uma orquestra, as regiões do cérebro são suas seções e a memória é a música que eles produzem, então o campo elétrico é o condutor, disseram os autores do estudo.
O mecanismo físico pelo qual este campo elétrico predominante afeta a tensão da membrana de neurônios individuais é chamado de “acoplamento efático”. Essas tensões de membrana são fundamentais para a atividade cerebral.
Quando eles cruzam um limiar, os neurônios “espalham” e enviam uma transmissão elétrica que sinaliza outros neurônios por meio de conexões chamadas sinapses. Mas qualquer quantidade de atividade elétrica pode contribuir para um campo elétrico dominante que também afeta os picos, disse o autor sênior do estudo Earl K. Miller, professor Picower no Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas do MIT.
“Muitos neurônios corticais passam muito tempo hesitando na borda do pico”, disse Miller. “Mudanças no campo elétrico circundante podem empurrá-los em uma direção ou outra. É difícil imaginar a evolução não tirando vantagem disso.”
Especificamente, o novo estudo mostrou que os campos elétricos conduzem a atividade elétrica das redes neurais para produzir uma representação coletiva da informação armazenada na memória de trabalho, disse o principal autor Dimitris Pinotsis, professor associado da City-University of London e parceiro de pesquisa da Picower Instituto.
Ele apontou que os resultados poderiam melhorar a capacidade de cientistas e engenheiros de ler informações do cérebro, o que poderia ajudar no desenvolvimento de próteses controladas pelo cérebro para pessoas com paralisia.
“Usando a teoria de sistemas complexos e cálculos matemáticos usando papel e caneta, previmos que os campos elétricos do cérebro direcionam os neurônios para criar memórias”, disse Pinotsis.
“Nossos dados experimentais e análises estatísticas apóiam essa previsão. Este é um exemplo de como a matemática e a física podem lançar luz sobre os campos do cérebro e como podem fornecer insights para o desenvolvimento de dispositivos BCI (Brain-Computer Interface).
Os campos prevalecem
Em um estudo de 2022, Miller e Pinotsis desenvolveram um modelo biofísico dos campos elétricos gerados pela atividade elétrica neural. Eles mostraram que os campos globais emergentes de grupos de neurônios em uma região do cérebro eram representações mais confiáveis e estáveis das informações com as quais os animais jogavam jogos de memória de trabalho do que a atividade elétrica de neurônios individuais. Os neurônios são dispositivos um tanto inconstantes cujos caprichos produzem uma inconsistência de informação conhecida como “desvio representacional”.
Em um artigo de opinião no início deste ano, os cientistas postularam que, além dos neurônios, os campos elétricos também influenciam a infraestrutura molecular e o ajuste do cérebro, para que o cérebro processe as informações com eficiência.
No novo estudo, Pinotsis e Miller expandiram sua investigação para perguntar se o acoplamento efático distribui o campo elétrico governante em várias regiões do cérebro para formar uma rede de memória, ou “engrama”.
Portanto, eles estenderam suas análises a duas regiões do cérebro: os campos oculares frontais (FEF) e os campos oculares suplementares (SEF).
Essas duas regiões, que controlam o movimento voluntário dos olhos, foram relevantes para o jogo da memória de trabalho dos animais, pois a cada rodada os animais viam uma imagem em uma tela posicionada em um ângulo específico ao redor do centro (como os números em um relógio). . ).
Após um pequeno atraso, eles tiveram que olhar na mesma direção em que o objeto estava.
Enquanto os animais brincavam, os cientistas registraram os potenciais de campo locais (LFPs, uma medida da atividade elétrica local) gerados por numerosos neurônios em cada região. Os cientistas alimentaram esses dados LFP registrados em modelos matemáticos que previram a atividade neuronal individual e os campos elétricos totais.
Usando os modelos, Pinotsis e Miller foram capazes de calcular se as mudanças nos campos previram mudanças nas voltagens da membrana ou se as mudanças nessa atividade previram mudanças nos campos.
Para esta análise, eles usaram um método matemático chamado causalidade de Granger. Esta análise mostrou claramente que os campos em cada região tiveram uma forte influência causal na atividade neuronal e não vice-versa.
Consistente com o estudo do ano passado, a análise também mostrou que as medidas de força de influência para os campos permaneceram muito mais estáveis do que para a atividade neural, sugerindo que os campos eram mais confiáveis.
Os pesquisadores então verificaram a causalidade entre as duas regiões do cérebro e descobriram que os campos elétricos, mas não a atividade neural, representavam de forma confiável a transferência de informações entre o FEF e o SEF.
Mais especificamente, eles descobriram que a transferência ocorreu tipicamente de FEF para SEF, consistente com estudos anteriores sobre a interação das duas regiões. O FEF tende a ser o líder no desencadeamento do movimento ocular.
Finalmente, Pinotsis e Miller usaram outra técnica matemática chamada análise de similaridade de representação para determinar se as duas regiões estavam realmente processando a mesma memória. Eles descobriram que os campos elétricos, mas não os LFPs ou a atividade neural, representavam a mesma informação em ambas as regiões, fundindo-os em uma rede de memória de engrama.
Outras implicações clínicas
Dada a evidência de que os campos elétricos surgem da atividade elétrica neuronal, mas depois impulsionam a atividade neuronal para representar a informação, Miller especulou que talvez uma função da atividade elétrica em neurônios individuais seja gerar os campos que os impulsionam.
“É uma rua de mão única”, disse Miller. “Os spiking e as sinapses são muito importantes. Esta é a base. Mas então os campos se invertem e afetam os picos.”
Isso pode ter implicações importantes para o tratamento de doenças mentais, disse ele, porque se e quando o pico dos neurônios afeta a força de suas conexões e, portanto, o funcionamento dos circuitos que eles formam, um fenômeno chamado plasticidade sináptica.
Tecnologias clínicas como a estimulação elétrica transcraniana (TES) alteram os campos elétricos do cérebro, observou Miller. Se os campos elétricos não apenas refletem a atividade neural, mas a moldam ativamente, as tecnologias TES podem ser usadas para alterar os circuitos. Manipulações de campo elétrico projetadas adequadamente podem um dia ajudar os pacientes a religar circuitos defeituosos, disse ele.
Financiamento: O estudo foi financiado pela UK Research and Innovation, o US Office of Naval Research, a JPB Foundation e o Picower Institute for Learning and Memory.
Sobre esta novidade da pesquisa neurocientífica
Autor: David Orenstein
Fonte: Instituto Picow para Aprendizagem e Memória
Contato: David Orenstein – Picower Institute for Learning and Memory
Foto: A imagem é do Neuroscience News
Pesquisa original: Acesso livre.
“O acoplamento Ehaptic in vivo permite a formação de uma rede de memória” por Earl K. Miller et al. córtex cerebral
Abstrato
O acoplamento Ehaptic in vivo permite a formação de uma rede de memória
Está ficando cada vez mais claro que as memórias são distribuídas em várias áreas do cérebro. Esses “complexos de engramas” são características importantes da formação e consolidação da memória.
Aqui testamos a hipótese de que os complexos de engramas são formados em parte por campos bioelétricos que moldam e controlam a atividade neuronal e conectam as áreas envolvidas nos complexos de engramas. Como o maestro de uma orquestra, os campos afetam cada músico ou neurônio e orquestram o resultado, a sinfonia.
Nossos resultados alavancam a teoria sinérgica, o aprendizado de máquina e os dados de uma tarefa sacádica espacialmente atrasada e fornecem evidências para o acoplamento efático in vivo em representações de memória.
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