Cientistas do MIT descobrem como o cérebro volta ao foco

“As ondas rotativas agem como pastores que conduzem o córtex de volta ao caminho computacional correto”, disse o autor sênior do estudo Earl K. Miller, professor Picower no Instituto Picower e no Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas do MIT.

Tamal Batabyal, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Picower, liderou o trabalho, que foi publicado em 3 de novembro no

‘Rotações’ matemáticas…

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

Para entender como essa atividade neural mudou ao longo do tempo e em diferentes condições (com e sem distração, e durante performances precisas ou imprecisas), a equipe usou um método matemático chamado codificação de subespaço. Esta técnica visualiza como grupos de neurônios coordenam sua atividade, revelando padrões de organização.

“Como estorninhos murmurando no céu”, disse Miller.

Após cada distração, os pesquisadores viram um padrão giratório dentro do subespaço, como se aqueles “estorninhos” estivessem circulando de volta à formação após serem dispersos. Segundo Miller, esse movimento circular representava a recuperação do cérebro do seu estado coordenado após a interrupção.

O grau de rotação previu até mesmo o desempenho da tarefa. Quando a distração não causava erro, a atividade neural formava um círculo completo, sinalizando recuperação total. Mas quando a distração atrapalhava o desempenho, o círculo permanecia incompleto (em uma média de 30 graus) e as rotações eram mais lentas. Esse ritmo mais lento provavelmente refletia 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 mostraram que o cérebro precisava desse intervalo para completar a sua rotação no espaço matemático e restaurar o foco neural e comportamental.

A codificação subespacial revelou que os neurônios operam em um padrão rotacional altamente coordenado que ajuda a preservar a atenção. Curiosamente, essas rotações apareceram apenas quando ocorreram distrações (independentemente do tipo de distração) e não surgiram por conta própria.

… refletem rotações físicas no cérebro

A codificação subespacial é apenas uma representação matemática abstrata da atividade neural ao longo do tempo. Mas quando os investigadores analisaram as medições físicas diretas da atividade neural, descobriram que na verdade refletiam uma onda real e itinerante que girava através do córtex. Múltiplas medições mostraram que a atividade neural tinha uma ordem espacial com ângulos em constante mudança, consistente com uma onda de atividade girando através do eletrodo cortical. Na verdade, a onda real girava com a mesma velocidade que aquela representada matematicamente na codificação subespacial.

“Em princípio, não há razão para que uma rotação neste subespaço matemático corresponda diretamente a uma rotação na superfície do córtex”, disse Miller. “Mas acontece. Isso me sugere que o cérebro está usando essas ondas viajantes para realmente fazer computação, computação analógica. A computação analógica é muito mais eficiente em termos energéticos do que a digital e a biologia favorece soluções energeticamente eficientes. É uma maneira diferente e mais natural de pensar sobre a computação neural.”

Além de Miller e Batabyal, os outros autores do artigo são Scott Brincat, Jacob Donoghue, Mikael 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 Picower Institute for Learning and Memory.