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A metáfora do “circuito” do cérebro é tão indiscutível quanto familiar: os neurônios forjam conexões físicas diretas para criar redes funcionais, por exemplo, para armazenar memórias ou produzir pensamentos. Mas a metáfora também está incompleta. O que leva esses circuitos e redes a se unirem? Novas evidências sugerem que pelo menos parte dessa coordenação vem de campos elétricos.
O novo estudo em Córtex cerebral mostra que, enquanto os animais jogavam jogos de memória de trabalho, a informação sobre o que eles estavam lembrando era coordenada em duas regiões-chave do cérebro pelo campo elétrico que emergia da atividade elétrica subjacente de todos os neurônios participantes. O campo, por sua vez, parecia conduzir a atividade neural, ou as flutuações de voltagem aparentes nas membranas das células.
Se os neurônios são músicos em uma orquestra, as regiões do cérebro são suas seções e a memória é a música que eles produzem, disseram os autores do estudo, então o campo elétrico é o condutor.
O mecanismo físico pelo qual esse campo elétrico predominante influencia a voltagem da membrana dos neurônios constituintes é chamado de “acoplamento efático”. Essas voltagens de membrana são fundamentais para a atividade cerebral. Quando eles cruzam um limiar, os neurônios “aumentam”, enviando uma transmissão elétrica que sinaliza outros neurônios através de conexões chamadas sinapses. Mas qualquer quantidade de atividade elétrica pode contribuir para um campo elétrico predominante que também influencia o pico, disse o autor sênior do estudo, Earl K. Miller, professor Picower no Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas do MIT.
“Muitos neurônios corticais gastam muito tempo oscilando à beira do pico”, disse Miller. “Mudanças no campo elétrico circundante podem empurrá-los para um lado ou para o outro. É difícil imaginar a evolução sem explorar isso.”
Em particular, o novo estudo mostrou que os campos elétricos impulsionam a atividade elétrica de redes de neurônios para produzir uma representação compartilhada da informação armazenada na memória de trabalho, disse o principal autor Dimitris Pinotsis, professor associado da City – University of London e um pesquisador afiliado no Instituto Picower. Ele observou que as descobertas poderiam melhorar a capacidade de cientistas e engenheiros de ler informações do cérebro, o que poderia ajudar no projeto de próteses controladas pelo cérebro para pessoas com paralisia.
“Usando a teoria de sistemas complexos e cálculos matemáticos com caneta e papel, previmos que os campos elétricos do cérebro guiam os neurônios para produzir memórias”, disse Pinotsis. “Nossos dados experimentais e análises estatísticas apóiam essa previsão. Este é um exemplo de como a matemática e a física lançam luz sobre os campos do cérebro e como podem produzir insights para a construção de dispositivos de interface cérebro-computador (BCI)”.
Os campos prevalecem
Em um estudo de 2022, Miller e Pinotsis desenvolveram um modelo biofísico dos campos elétricos produzidos pela atividade elétrica neural. Eles mostraram que os campos gerais que emergiam de grupos de neurônios em uma região do cérebro eram representações mais confiáveis e estáveis da informação que os animais usavam para jogar jogos de memória de trabalho do que a atividade elétrica dos neurônios individuais. Os neurônios são dispositivos um tanto inconstantes cujos caprichos produzem uma inconsistência de informação chamada “desvio representacional”. Em um artigo de opinião no início deste ano, os cientistas também afirmaram que, além dos neurônios, os campos elétricos afetam a infraestrutura molecular do cérebro e seu ajuste para que o cérebro processe as informações com eficiência.
No novo estudo, Pinotsis e Miller estenderam sua investigação para perguntar se o acoplamento efático espalha o campo elétrico governante em várias regiões do cérebro para formar uma rede de memória, ou “engrama”.
Eles, portanto, ampliaram suas análises para observar duas regiões do cérebro: os campos oculares frontais (FEF) e os campos oculares suplementares (SEF). Essas duas regiões, que governam o movimento voluntário dos olhos, eram relevantes para o jogo da memória de trabalho que os animais jogavam porque, a cada rodada, os animais viam uma imagem em uma tela posicionada em algum ângulo ao redor do centro (como os números em um relógio). ). Após um breve atraso, eles tiveram que olhar na mesma direção em que o objeto estava.
Enquanto os animais brincavam, os cientistas registraram os potenciais de campo locais (LFPs, uma medida da atividade elétrica local) produzidos por dezenas de neurônios em cada região. Os cientistas alimentaram esses dados LFP registrados em modelos matemáticos que previram a atividade neural individual e os campos elétricos gerais.
Os modelos permitiram que Pinotsis e Miller calculassem se as mudanças nos campos previam mudanças nas voltagens da membrana ou se as mudanças nessa atividade previam mudanças nos campos. Para fazer essa análise, eles usaram um método matemático chamado Causalidade de Granger. Sem ambiguidade, esta análise mostrou que em cada região, os campos tiveram forte influência causal sobre a atividade neural e não o contrário. Consistente com o estudo do ano passado, a análise também mostrou que as medidas da força de influência permaneceram muito mais estáveis para os campos do que para a atividade neural, indicando que os campos eram mais confiáveis.
Os pesquisadores então verificaram a causalidade entre as duas regiões do cérebro e descobriram que os campos elétricos, mas não a atividade neural, representavam de forma confiável a transferência de informações entre FEF e SEF. Mais especificamente, eles descobriram que a transferência normalmente flui de FEF para SEF, o que concorda com estudos anteriores de como as duas regiões interagem. FEF tende a liderar o caminho para iniciar um movimento ocular.
Finalmente, Pinotsis e Miller usaram outra técnica matemática chamada análise de similaridade de representação para determinar se as duas regiões estavam, de fato, processando a mesma memória. Eles descobriram que os campos elétricos, mas não os LFPs ou a atividade neural, representavam a mesma informação em ambas as regiões, unificando-os em uma rede de memória de engrama.
Implicações clínicas adicionais
Considerando as evidências de que os campos elétricos emergem da atividade elétrica neural, mas depois impulsionam a atividade neural para representar a informação, Miller especulou que talvez uma função da atividade elétrica em neurônios individuais seja produzir os campos que então os governam.
“É uma via de mão dupla”, disse Miller. “O spiking e as sinapses são muito importantes. Essa é a base. Mas então os campos mudam e influenciam o spiking.”
Isso pode ter implicações importantes para tratamentos de saúde mental, disse ele, porque se e quando os neurônios disparam, influencia a força de suas conexões e, portanto, a função dos circuitos que eles formam, um fenômeno chamado plasticidade sináptica.
Tecnologias clínicas como a estimulação elétrica transcraniana (TES) alteram os campos elétricos cerebrais, observou Miller. Se os campos elétricos não apenas refletem a atividade neural, mas também a moldam ativamente, as tecnologias TES podem ser usadas para alterar os circuitos. Manipulações de campo elétrico adequadamente concebidas, disse ele, poderiam um dia ajudar os pacientes a religar circuitos defeituosos.
O financiamento para o estudo veio da Pesquisa e Inovação do Reino Unido, do Escritório de Pesquisa Naval dos EUA, da Fundação JPB e do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória.
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