A capacidade do cérebro de perceber o espaço se expande como o universo

A capacidade do cérebro de perceber o espaço se expande como o universo

Pesquisadores da Salk descobrem que as redes neurais responsáveis ​​pela percepção espacial mudam de maneira não linear e podem ter implicações para distúrbios neurodegenerativos como a doença de Alzheimer.

LA JOLLA — As crianças pequenas às vezes acreditam que a lua as está seguindo ou que podem alcançá-la e tocá-la. Parece estar muito mais perto do que é proporcional à sua verdadeira distância. À medida que avançamos em nossas vidas diárias, tendemos a pensar que navegamos no espaço de maneira linear. Mas os cientistas do Salk descobriram que o tempo gasto explorando um ambiente faz com que as representações neurais cresçam de maneiras surpreendentes.

Os resultados, publicados na Nature Neuroscience em 29 de dezembro de 2022, mostram que os neurônios no hipocampo essenciais para a navegação espacial, memória e planejamento representam o espaço de uma maneira que se conforma a uma geometria hiperbólica não linear - uma extensão tridimensional que cresce exponencialmente. (Em outras palavras, tem a forma do interior de uma ampulheta em expansão.) Os pesquisadores também descobriram que o tamanho desse espaço cresce com o tempo gasto em um lugar. E o tamanho está aumentando em uma forma logarítmica que corresponde ao aumento máximo possível na informação sendo processada pelo cérebro.

Esta descoberta fornece métodos valiosos para analisar dados sobre distúrbios neurocognitivos envolvendo aprendizagem e memória, como a doença de Alzheimer.

“Nosso estudo demonstra que o cérebro nem sempre age de maneira linear. Em vez disso, as redes neurais funcionam ao longo de uma curva em expansão, que pode ser analisada e compreendida usando geometria hiperbólica e teoria da informação”, diz Salk Professor Tatiana Sharpe, titular da cadeira Edwin K. Hunter, que liderou o estudo. “É emocionante ver que as respostas neurais nessa área do cérebro formaram um mapa que se expandiu com a experiência baseada na quantidade de tempo dedicado a um determinado local. O efeito ainda se manteve para desvios minúsculos no tempo quando o animal correu mais devagar ou mais rápido pelo ambiente.”

O laboratório de Sharpee usa abordagens computacionais avançadas para entender melhor como o cérebro funciona. Recentemente, eles foram pioneiros no uso da geometria hiperbólica para entender melhor os sinais biológicos, como moléculas de cheiro, bem como a percepção do cheiro.

No estudo atual, os cientistas descobriram que a geometria hiperbólica também orienta as respostas neurais. Mapas hiperbólicos de moléculas e eventos sensoriais são percebidos com mapas neurais hiperbólicos. As representações espaciais se expandiram dinamicamente em correlação com a quantidade de tempo que o rato passou explorando cada ambiente. E, quando um rato se movia mais lentamente por um ambiente, ganhava mais informações sobre o espaço, o que fazia com que as representações neurais crescessem ainda mais.

“As descobertas fornecem uma nova perspectiva sobre como as representações neurais podem ser alteradas com a experiência”, diz Huanqiu Zhang, estudante de pós-graduação no laboratório de Sharpee. “Os princípios geométricos identificados em nosso estudo também podem orientar esforços futuros na compreensão da atividade neural em vários sistemas cerebrais”.

“Você pensaria que a geometria hiperbólica só se aplica a uma escala cósmica, mas isso não é verdade”, diz Sharpee. “Nossos cérebros funcionam muito mais devagar que a velocidade da luz, o que pode ser uma razão para que os efeitos hiperbólicos sejam observados em espaços apreensíveis em vez de astronômicos. A seguir, gostaríamos de aprender mais sobre como essas representações hiperbólicas dinâmicas no cérebro crescem, interagem e se comunicam umas com as outras”.

Outros autores incluem P. Dylan Rich da Universidade de Princeton e Albert K. Lee do Janelia Research Campus no Howard Hughes Medical Institute.

A pesquisa foi apoiada por um prêmio AHA-Allen Initiative in Brain Health and Cognitive Impairment concedido em conjunto pela American Heart Association e o Paul G. Allen Frontiers Group (19PABH134610000), a Dorsett Brown Foundation, a Mary K. Chapman Foundation, uma Aginsky Fellowship, National Science Foundation (IIS-1724421), National Science Foundation Next Generation Networks for Neuroscience Program (Prêmio 2014217), National Institutes of Health (U19NS112959 e P30AG068635) e Howard Hughes Medical Institute.

DOI: 10.1038/s41593-022-01212-4