Um oceano em seu cérebro: a interação das ondas cerebrais é fundamental para a forma como processamos informações

Um oceano em seu cérebro: a interação das ondas cerebrais é fundamental para a forma como processamos informações

Cientistas da Salk mostram como o cérebro responde de maneira diferente ao ver a mesma coisa em condições diferentes

LA JOLLA - Durante anos, o cérebro foi pensado como um computador biológico que processa informações por meio de circuitos tradicionais, por meio dos quais os dados passam direto de uma célula para outra. Embora esse modelo ainda seja preciso, um novo estudo liderado pelo professor Salk Thomas Albright e cientista da equipe Sergei Gepstein mostra que há também uma segunda maneira muito diferente de o cérebro analisar as informações: por meio das interações das ondas da atividade neural. As descobertas, publicadas na Os avanços da ciência em 22 de abril de 2022, ajudam os pesquisadores a entender melhor como o cérebro processa as informações.

"Agora temos uma nova compreensão de como a maquinaria computacional do cérebro está funcionando", diz Albright, Conrad T. Prebys Chair em Vision Research e diretor do Salk's Vision Center Laboratory. “O modelo ajuda a explicar como o estado subjacente do cérebro pode mudar, afetando a atenção, o foco ou a capacidade das pessoas de processar informações”.

Os pesquisadores sabem há muito tempo que existem ondas de atividade elétrica no cérebro, tanto durante o sono quanto durante a vigília. Mas as teorias subjacentes sobre como o cérebro processa informações – particularmente informações sensoriais, como a visão de uma luz ou o som de um sino – giram em torno de informações sendo detectadas por células cerebrais especializadas e depois transportadas de um neurônio para outro como um retransmissão.

Este modelo tradicional do cérebro, no entanto, não poderia explicar como uma única célula sensorial pode reagir de forma tão diferente à mesma coisa em diferentes condições. Uma célula, por exemplo, pode ser ativada em resposta a um rápido flash de luz quando um animal está particularmente alerta, mas permanecerá inativa em resposta à mesma luz se a atenção do animal estiver focada em outra coisa.

Gepshtein compara o novo entendimento à dualidade onda-partícula na física e na química – a ideia de que a luz e a matéria têm propriedades de partículas e ondas. Em algumas situações, a luz se comporta como se fosse uma partícula (também conhecida como fóton). Em outras situações, ele se comporta como se fosse uma onda. As partículas estão confinadas a um local específico e as ondas são distribuídas em muitos locais. Ambas as visões da luz são necessárias para explicar seu comportamento complexo.

“A visão tradicional da função cerebral descreve a atividade cerebral como uma interação de neurônios. Como cada neurônio está confinado a um local específico, essa visão é semelhante à descrição da luz como uma partícula”, diz Gepshtein, diretor do Salk's Collaboratory for Adaptive Sensory Technologies. “Descobrimos que, em algumas situações, a atividade cerebral é melhor descrita como interação de ondas, o que é semelhante à descrição da luz como uma onda. Ambas as visões são necessárias para entender o cérebro.”

Algumas propriedades das células sensoriais observadas no passado não eram fáceis de explicar, dada a abordagem de “partícula” para o cérebro. No novo estudo, a equipe observou a atividade de 139 neurônios em um modelo animal para entender melhor como as células coordenam sua resposta à informação visual. Em colaboração com o físico Sergey Savel'ev, da Universidade de Loughborough, eles criaram uma estrutura matemática para interpretar a atividade dos neurônios e prever novos fenômenos.

Eles descobriram que a melhor maneira de explicar como os neurônios estavam se comportando era por meio da interação de ondas microscópicas de atividade, em vez da interação de neurônios individuais. Em vez de um flash de luz ativando células sensoriais especializadas, os pesquisadores mostraram como ele cria padrões distribuídos: ondas de atividade em muitas células vizinhas, com picos e vales alternados de ativação – como ondas do mar.

Quando essas ondas estão sendo geradas simultaneamente em diferentes lugares do cérebro, elas inevitavelmente colidem umas com as outras. Se dois picos de atividade se encontrarem, eles gerarão uma atividade ainda maior, enquanto que se um ponto baixo de baixa atividade encontrar um pico, ele poderá cancelá-lo. Este processo é chamado de interferência de onda.

“Quando você está no mundo, há muitas, muitas entradas e, portanto, todas essas ondas diferentes são geradas”, diz Albright. “A resposta líquida do cérebro ao mundo ao seu redor tem a ver com a forma como todas essas ondas interagem.”

Para testar seu modelo matemático de como as ondas neurais ocorrem no cérebro, a equipe projetou um experimento visual de acompanhamento. Duas pessoas foram solicitadas a detectar uma linha fina e tênue (“sonda”) localizada em uma tela e flanqueada por outros padrões de luz. Quão bem as pessoas realizaram essa tarefa, descobriram os pesquisadores, dependia de onde a sonda estava. A capacidade de detectar a sonda foi elevada em alguns locais e reduzida em outros locais, formando uma onda espacial prevista pelo modelo.

“Sua capacidade de ver esta sonda em todos os locais dependerá de como as ondas neurais se sobrepõem naquele local”, diz Gepshtein, que também é membro do Salk's Center for the Neurobiology of Vision. “E agora propusemos como o cérebro medeia isso.”

A descoberta de como as ondas neurais interagem é muito mais abrangente do que explicar essa ilusão de ótica. Os pesquisadores levantam a hipótese de que os mesmos tipos de ondas estão sendo gerados – e interagindo entre si – em todas as partes do córtex cerebral, não apenas na parte responsável pela análise da informação visual. Isso significa que as ondas geradas pelo próprio cérebro, por sinais sutis no ambiente ou humores internos, podem alterar as ondas geradas por entradas sensoriais.

Isso pode explicar como a resposta do cérebro a algo pode mudar de dia para dia, dizem os pesquisadores.

Co-autores adicionais do papel incluem Ambarish Pawar de Salk e Sunwoo Kwon da Universidade da Califórnia, Berkeley.

O trabalho foi apoiado em parte pelo Sloan-Swartz Center for Theoretical Neurobiology do Salk Institute, Kavli Institute for Brain and Mind, Conrad T. Prebys Foundation, National Institutes of Health (R01-EY018613, R01-EY029117) e o Engineering e Conselho de Pesquisa em Ciências Físicas (EP/S032843/1).

DOI: 10.1126/sciadv.abl5865