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Neurocientistas revelaram como a entrada sensorial é transformada em ação motora em várias regiões cerebrais em camundongos. A pesquisa, conduzida no Sainsbury Wellcome Centre na UCL, mostra que a tomada de decisão é um processo global no cérebro que é coordenado pelo aprendizado. As descobertas podem auxiliar a pesquisa de inteligência artificial, fornecendo insights sobre como projetar redes neurais mais distribuídas.
“Este trabalho unifica conceitos descritos anteriormente para áreas individuais do cérebro em uma visão coerente que mapeia a dinâmica neural de todo o cérebro. Agora temos uma imagem completa do que está acontecendo no cérebro conforme a entrada sensorial é transformada por meio de um processo de decisão em uma ação”, explicou o professor Tom Mrsic-Flogel, diretor do Sainsbury Wellcome Centre na UCL e autor correspondente do artigo.
O estudo, publicado hoje em Naturezadescreve como os pesquisadores usaram sondas Neuropixels, uma tecnologia de ponta que permite gravações simultâneas em centenas de neurônios em várias regiões do cérebro, para estudar camundongos participando de uma tarefa de tomada de decisão. A tarefa, desenvolvida pela Dra. Ivana Orsolic no SWC, permitiu que a equipe distinguisse entre processamento sensorial e controle motor. Os pesquisadores também revelaram a contribuição do aprendizado por meio do estudo de animais treinados na tarefa e da comparação deles com animais ingênuos.
“Frequentemente tomamos decisões com base em evidências ambíguas. Por exemplo, quando começa a chover, você tem que decidir qual a frequência das gotas de chuva antes de abrir seu guarda-chuva. Estudamos essa mesma integração de evidências ambíguas em camundongos para entender como o cérebro processa decisões perceptivas”, explicou o Dr. Michael Lohse, Sir Henry Wellcome Postdoctoral Fellow no SWC e primeiro autor conjunto do artigo.
Os ratos foram treinados para ficar parados enquanto observavam um padrão visual se movendo em uma tela. Para receber uma recompensa, os ratos tinham que lamber um bico quando detectassem um aumento sustentado na velocidade de movimento do padrão visual. A tarefa foi projetada para que a velocidade do movimento nunca fosse constante, em vez disso, ela flutuasse continuamente. O tempo do aumento na velocidade média também mudou de teste para teste, de modo que os ratos não pudessem simplesmente lembrar quando o aumento sustentado ocorreu. Assim, os ratos tinham que prestar atenção constantemente ao estímulo e integrar informações para descobrir se o aumento na velocidade havia acontecido.
“Ao treinar os ratos para ficarem parados, a análise de dados que pudemos realizar foi muito mais limpa e a tarefa nos permitiu observar como os neurônios rastreiam flutuações aleatórias na velocidade antes que os ratos fizessem uma ação. Em ratos treinados, descobrimos que não há uma única região cerebral que integre evidências sensoriais ou orquestre o processo. Em vez disso, descobrimos que neurônios que são esparsamente, mas amplamente distribuídos pelo cérebro, conectam evidências sensoriais e iniciação de ação”, explicou o Dr. Andrei Khilkevich, pesquisador sênior no laboratório Mrsic-Flogel e primeiro autor conjunto do artigo.
Os pesquisadores gravaram de cada camundongo várias vezes e coletaram dados de mais de 15.000 células em 52 regiões cerebrais em 15 camundongos treinados. Para observar o aprendizado, a equipe também comparou os resultados com gravações de camundongos ingênuos.
“Descobrimos que quando os ratos não sabem o que o estímulo visual significa, eles apenas representam a informação no sistema visual no cérebro e em algumas regiões do mesencéfalo. Depois que eles aprenderam a tarefa, as células integram a evidência por todo o cérebro”, explicou o Dr. Lohse.
Neste estudo, a equipe observou apenas animais ingênuos e aqueles que aprenderam completamente a tarefa, mas em trabalhos futuros eles esperam descobrir como o processo de aprendizagem ocorre rastreando neurônios ao longo do tempo para ver como eles mudam conforme os camundongos começam a entender a tarefa. Os pesquisadores também estão procurando explorar se áreas específicas no cérebro agem como centros causais no estabelecimento dessas ligações entre sensações e ações.
Uma série de questões adicionais levantadas pelo estudo incluem como o cérebro incorpora uma expectativa de quando a velocidade do padrão visual aumentará de modo que os animais só reajam ao estímulo quando a informação for relevante. A equipe planeja estudar essas questões mais a fundo usando o conjunto de dados que eles coletaram.
Este estudo foi financiado pelos prêmios Wellcome (217211/Z/19/Z e 224121/Z/21/Z) e pelo Sainsbury Wellcome Centre’s Core Grant da Gatsby Charitable Foundation (GAT3755) e Wellcome (219627/Z/19/Z).
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