Neurocientistas da UCL mostraram como o cérebro de um animal implementa respostas a eventos inesperados.
Os pesquisadores descobriram como duas áreas cerebrais, o neocórtex e o tálamo, trabalham juntas para detectar discrepâncias entre o que os animais esperam do ambiente e os eventos reais. As áreas cerebrais aumentam seletivamente, ou priorizam, qualquer informação sensorial inesperada.
Essas descobertas aumentam nossa compreensão do processamento preditivo no cérebro e podem oferecer insights sobre como os circuitos cerebrais são alterados em transtornos do espectro do autismo e transtornos do espectro da esquizofrenia.
A pesquisa, publicada hoje em Natureza, descreve como cientistas do Sainsbury Wellcome Centre da UCL estudaram ratos em um ambiente de realidade virtual para nos levar um passo mais perto da compreensão da natureza dos sinais de erro de previsão (a discrepância entre expectativas e realidade) no cérebro, bem como os mecanismos pelos quais eles surgem.
A autora principal, Professora Sonja Hofer, Líder de Grupo no SWC, disse: “Nossos cérebros preveem constantemente o que esperar do mundo ao nosso redor e as consequências de nossas ações. Quando essas previsões dão errado, isso causa forte ativação de diferentes áreas do cérebro, e esses sinais de erro de previsão são importantes para nos ajudar a aprender com nossos erros e atualizar nossas previsões.
“Mas, apesar de sua importância, surpreendentemente pouco se sabe sobre os mecanismos do circuito neural responsáveis por sua implementação no cérebro.”
Para estudar como o cérebro processa eventos esperados e inesperados, os pesquisadores colocaram ratos em um ambiente de realidade virtual onde eles podiam navegar por um corredor familiar para chegar a uma recompensa. O ambiente virtual permitiu que a equipe controlasse precisamente a entrada visual e introduzisse imagens inesperadas nas paredes. Usando uma técnica chamada imagem de cálcio de dois fótons, os pesquisadores conseguiram registrar a atividade neural de muitos neurônios individuais no córtex visual primário, a primeira área no neocórtex do cérebro a receber informações visuais dos olhos.
O primeiro autor, Dr. Shohei Furutachi (Sainsbury Wellcome Centre na UCL), disse: “Teorias anteriores propuseram que os sinais de erro de previsão codificam como a entrada visual real é diferente das expectativas, mas surpreendentemente não encontramos nenhuma evidência experimental para isso. Em vez disso, descobrimos que o cérebro aumenta as respostas dos neurônios que têm a preferência mais forte pela entrada visual inesperada. O sinal de erro que observamos é uma consequência dessa amplificação seletiva da informação visual.
“Isso implica que nosso cérebro detecta discrepâncias entre previsões e informações reais para tornar eventos inesperados mais evidentes.”
Para entender como o cérebro gera essa amplificação da entrada sensorial inesperada no córtex visual, a equipe usou uma técnica chamada optogenética para inativar ou ativar diferentes grupos de neurônios. Eles encontraram dois grupos de neurônios que eram importantes para causar o sinal de erro de predição no córtex visual: interneurônios inibitórios expressando polipeptídeo intestinal vasoativo (VIP) em V1 e uma região cerebral talâmica chamada pulvinar, que integra informações de muitas áreas neocorticais e subcorticais e está fortemente conectada a V1. Mas os pesquisadores descobriram que esses dois grupos de neurônios interagem de uma forma surpreendente.
O Dr. Furutachi explicou: “Frequentemente, na neurociência, focamos em estudar uma região ou via cerebral por vez. Mas, vindo de uma formação em biologia molecular, fiquei fascinado por como diferentes vias moleculares interagem sinergicamente para permitir uma regulação flexível e contextual. Decidi testar a possibilidade de que a cooperação pudesse estar ocorrendo no nível dos circuitos neurais, entre os neurônios VIP e o pulvinar.”
E, de fato, o trabalho do Dr. Furutachi revelou que os neurônios VIP e o pulvinar agem sinergicamente juntos. Os neurônios VIP agem como uma mesa telefônica: quando estão desligados, o pulvinar suprime a atividade no neocórtex, mas quando os neurônios VIP estão ligados, o pulvinar pode aumentar forte e seletivamente as respostas sensoriais no neocórtex. A interação cooperativa dessas duas vias, portanto, media os sinais de erro de predição sensorial no córtex visual.
Os próximos passos da equipe são explorar como e onde no cérebro as previsões dos animais são comparadas com a entrada sensorial real para calcular erros de previsão sensorial e como os sinais de erro de previsão conduzem o aprendizado. Eles também estão explorando como suas descobertas podem ajudar a contribuir para a compreensão dos transtornos do espectro autista (TEAs) e transtornos do espectro da esquizofrenia (TEEs).
O Dr. Furutachi acrescentou: “Foi proposto que ASDs e SSDs podem ser explicados por um desequilíbrio no sistema de erro de predição. Agora estamos tentando aplicar nossa descoberta a animais modelo ASDs e SSDs para estudar os fundamentos do circuito neural mecanicista desses transtornos.”
Chris Lane
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E: chris.lane [at] ucl.ac.reino unido
Abril Cashin-Garbutt
Chefe de Comunicações e Engajamento de Pesquisa, Sainsbury Wellcome Centre na UCL
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