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Pesquisadores do MIT descobriram evidências que apoiam um novo mecanismo de cronometragem que utiliza neurônios responsáveis pela produção de ações específicas. Crédito: Christine Daniloff/MIT
Um novo estudo de MIT fornece evidências de um sistema alternativo de cronometragem que depende dos neurônios responsáveis pela produção de uma ação específica. Dependendo do intervalo de tempo necessário, esses neurônios comprimem ou esticam as etapas que realizam para gerar o comportamento em um momento específico.
O tempo é fundamental para tocar um instrumento musical, balançar um taco de beisebol e muitas outras atividades. Os neurocientistas criaram vários modelos de como o cérebro atinge o seu controlo requintado sobre o tempo, sendo o mais proeminente o facto de existir um relógio centralizado, ou pacemaker, algures no cérebro que marca o tempo para todo o cérebro.
No entanto, um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT fornece evidências de um sistema alternativo de cronometragem que depende dos neurônios responsáveis pela produção de uma ação específica. Dependendo do intervalo de tempo necessário, esses neurônios comprimem ou esticam as etapas que realizam para gerar o comportamento em um momento específico.
“O que descobrimos é que é um processo muito ativo. O cérebro não está esperando passivamente que um relógio chegue a um determinado ponto”, diz Mehrdad Jazayeri, professor de desenvolvimento de carreira Robert A. Swanson de ciências da vida, membro do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT e autor sênior do estudo.
O pós-doutorado do MIT Jing Wang e a ex-pós-doutorada Devika Narain são os principais autores do artigo, que aparece na edição de 4 de dezembro da Neurociência da Natureza. O estudante de pós-graduação Eghbal Hosseini também é autor do artigo.
Controle flexível
Um dos primeiros modelos de controle de tempo, conhecido como modelo acumulador de relógio, sugeria que o cérebro tinha um relógio interno ou marca-passo que marcava o tempo para o resto do cérebro. Uma variação posterior deste modelo sugeriu que, em vez de usar um marcapasso central, o cérebro mede o tempo rastreando a sincronização entre diferentes frequências de ondas cerebrais.
Embora esses modelos de relógio sejam intuitivamente atraentes, diz Jazayeri, “eles não combinam bem com o que o cérebro faz”.
Ninguém encontrou evidências de um relógio centralizado, e Jazayeri e outros se perguntaram se partes do cérebro que controlam comportamentos que exigem tempo preciso poderiam desempenhar elas próprias a função de temporização. “As pessoas agora questionam por que o cérebro iria querer gastar tempo e energia para gerar um relógio quando nem sempre é necessário. Para certos comportamentos, você precisa cronometrar, então talvez as partes do cérebro que servem essas funções também possam cronometrar”, diz ele.
Para explorar esta possibilidade, os investigadores registaram a atividade neuronal de três regiões cerebrais em animais enquanto realizavam uma tarefa em dois intervalos de tempo diferentes – 850 milissegundos ou 1.500 milissegundos.
Os pesquisadores encontraram um padrão complicado de atividade neural durante esses intervalos. Alguns neurônios dispararam mais rápido, alguns dispararam mais devagar e alguns que estavam oscilando começaram a oscilar mais rápido ou mais devagar. No entanto, a principal descoberta dos investigadores foi que, independentemente da resposta dos neurónios, a taxa a que ajustavam a sua actividade dependia do intervalo de tempo necessário.
Em qualquer momento, um conjunto de neurónios encontra-se num determinado “estado neural”, que muda ao longo do tempo à medida que cada neurónio individual altera a sua actividade de uma forma diferente. Para executar um comportamento específico, todo o sistema deve atingir um estado final definido. Os pesquisadores descobriram que os neurônios sempre percorriam a mesma trajetória desde o estado inicial até o estado final, independentemente do intervalo. A única coisa que mudou foi a velocidade com que os neurônios percorreram essa trajetória.
Quando o intervalo necessário era maior, essa trajetória era “alongada”, ou seja, os neurônios demoravam mais para evoluir até o estado final. Quando o intervalo era menor, a trajetória era comprimida.
“O que descobrimos é que o cérebro não muda a trajetória quando o intervalo muda, apenas muda a velocidade com que passa do estado interno inicial para o estado final”, diz Jazayeri.
Dean Buonomano, professor de neurociência comportamental da Universidade da Califórnia em Los Angeles, diz que o estudo “fornece belas evidências de que o tempo é um processo distribuído no cérebro – ou seja, não existe um relógio mestre único”.
“Este trabalho também apoia a noção de que o cérebro não diz as horas usando um mecanismo semelhante ao de um relógio, mas sim depende da dinâmica inerente aos circuitos neurais, e que à medida que essas dinâmicas aumentam e diminuem de velocidade, os animais se movem mais rápida ou lentamente, ”, acrescenta Buonomano, que não esteve envolvido na pesquisa.
Redes neurais
Os pesquisadores concentraram seu estudo em uma alça cerebral que conecta três regiões: o córtex frontal dorsomedial, o caudado e o tálamo. Eles encontraram esse padrão neural distinto no córtex frontal dorsomedial, que está envolvido em muitos processos cognitivos, e no caudado, que está envolvido no controle motor, na inibição e em alguns tipos de aprendizagem. No entanto, no tálamo, que transmite sinais motores e sensoriais, encontraram um padrão diferente: em vez de alterar a velocidade da sua trajetória, muitos dos neurónios simplesmente aumentaram ou diminuíram a sua taxa de disparo, dependendo do intervalo necessário.
Jazayeri diz que esta descoberta é consistente com a possibilidade de o tálamo estar a instruir o córtex sobre como ajustar a sua actividade para gerar um determinado intervalo.
Os pesquisadores também criaram um modelo computacional para ajudá-los a compreender melhor esse fenômeno. Eles começaram com um modelo de centenas de neurônios conectados entre si de maneiras aleatórias e depois treinaram-no para realizar a mesma tarefa de produção de intervalos que usaram para treinar animais, sem oferecer nenhuma orientação sobre como o modelo deveria realizar a tarefa.
Eles descobriram que essas redes neurais acabaram usando a mesma estratégia observada nos dados do cérebro dos animais. Uma descoberta importante foi que esta estratégia só funciona se alguns dos neurônios tiverem atividade não linear – isto é, a força de sua saída não aumenta constantemente à medida que sua entrada aumenta. Em vez disso, à medida que recebem mais insumos, sua produção aumenta a um ritmo mais lento.
Jazayeri agora espera explorar mais a fundo como o cérebro gera os padrões neurais observados durante intervalos de tempo variados e também como nossas expectativas influenciam nossa capacidade de produzir intervalos diferentes.
A pesquisa foi financiada pelo Rubicon Grant da Organização Científica Holandesa, a Instituto Nacional de Saúdea Fundação Sloan, a Fundação Klingenstein, a Fundação Simons, o Centro de Engenharia Neural Sensorimotora e o Instituto McGovern.
Referência: “Tempo flexível por escala temporal de respostas corticais” por Jing Wang, Devika Narain, Eghbal A. Hosseini e Mehrdad Jazayeri, 4 de dezembro de 2017, Neurociência da Natureza.
DOI: 10.1038/s41593-017-0028-6