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Como muitos colecionadores de discos LP, o cunhado de James Fitzgerald tem uma loja favorita onde encontra sempre o melhor vinil para sua coleção. Mas há momentos em que ele passa horas na loja e sai vazio. Ele também sabe que ocasionalmente deveria se aventurar na loja de discos do outro lado da cidade, onde às vezes encontra uma joia difícil de encontrar que estava em estoque desde sua última visita.
O cunhado de Fitzgerald está fazendo um cálculo: pesando os resultados prováveis para orientar seu comportamento. Sua loja de discos favorita o recompensa com mais frequência, então ele visita mais essa loja. A loja de segundo nível tem menos probabilidade de recompensá-lo, então ele a visita apenas ocasionalmente.
Glenn Turner, que tal como Fitzgerald é neurocientista e líder de grupo no Janelia Research Campus do HHMI, diz que este hábito de “forrageamento de registos” é um exemplo perfeito de um tipo de comportamento chamado correspondência que é difundido no reino animal. Em vez de vinil, animais não modernos, como ratos e moscas, procuram comida, usando sinais sensoriais como odores para avaliar a qualidade dos alimentos à distância.
Mas, embora a correspondência tenha sido observada em tudo, desde pombos a ratos e humanos, não estava claro como o cérebro realizava esta tomada de decisão baseada em valores. Os pesquisadores já haviam proposto uma teoria sobre como isso poderia acontecer, mas a ideia não havia sido testada no mundo real.
Agora, uma equipe de pesquisadores da Janelia que inclui Fitzgerald, Turner, a bolsista da Janelia Adithya Rajagopalan, o ex-bolsista da Janelia Ran Darshan e a especialista em pesquisa Karen Hibbard confirmaram que a teoria proposta funciona. As experiências de Rajagopalan mostraram que, tal como o cunhado de Fitzgerald, as moscas da fruta podem tomar decisões com base nas suas expectativas sobre a probabilidade de uma recompensa. A equipe também identificou o local no cérebro da mosca onde esses ajustes de valor são feitos, permitindo-lhes testar diretamente essa teoria no nível dos circuitos neurais.
“Descobrimos que as moscas estão a usar a expectativa para atribuir valor ao seu mundo”, diz Turner. “Também se conecta muito bem a este trabalho teórico que era tão elegante e explica esse fenômeno generalizado.”
Descobrir como o cérebro da mosca realiza esse comportamento onipresente poderia ajudar os cientistas a entender melhor como tomadas de decisão semelhantes acontecem nos cérebros de animais maiores, incluindo humanos. A tomada de decisões dá errado em doenças como o vício, portanto, entender como esse processo funciona em cérebros mais simples tem amplo valor, segundo os pesquisadores.
“Os tipos de ideias e a estrutura teórica que identificamos neste artigo parecem uma semente para a evolução se desenvolver em organismos maiores, onde mais camadas são adicionadas para permitir comportamentos mais complexos”, diz Rajagopalan, o primeiro autor de um estudo. novo artigo descrevendo o trabalho.
Investigando o comportamento de correspondência
As moscas da fruta, cujos cérebros foram bem estudados e mapeados, foram uma escolha atraente para examinar a correspondência e os seus mecanismos subjacentes. Mas primeiro, a equipe teve que criar uma maneira de observar as decisões das moscas-das-frutas.
Rajagopalan, que veio para o Turner Lab através de um programa de pós-graduação conjunto com a Universidade Johns Hopkins, liderou o projeto. Ele projetou um experimento em que uma única mosca entra em um braço de uma arena simétrica em forma de Y. Os odores são bombeados para os outros dois braços do Y. A mosca escolhe seguir um odor ou outro e é recompensada – neste caso, tendo os seus neurónios sensíveis ao açúcar activados – mas com probabilidades diferentes: um odor pode traduzir-se em uma recompensa 80% das vezes, enquanto o outro odor pode render uma recompensa 20% das vezes.
Os pesquisadores descobriram que a mosca aprendeu a esperar as recompensas nas mesmas proporções em que foram apresentadas e então fez sua escolha com base nessas expectativas. Essas ações dão nome ao comportamento correspondente: 80% das vezes, a mosca escolhe o odor que dá 80% das recompensas. E em 20% das vezes, escolheu o odor que rende 20% das recompensas.
A equipe rastreou o comportamento em sinapses específicas no corpo do cogumelo, uma região do cérebro da mosca responsável pelo aprendizado e pela memória. Isto permitiu-lhes criar um modelo de como o cérebro realiza esse comportamento, baseado na teoria da correspondência. Nesta teoria, os valores associados a diferentes escolhas são aprendidos através de mudanças na força sináptica: as ligações sinápticas são fortalecidas ou enfraquecidas em proporção à diferença entre a recompensa esperada e a recompensa recebida. O modelo da equipe baseado nesta teoria e no comportamento da mosca permitiu-lhes demonstrar como as sinapses individuais estão mudando para permitir a tomada de decisões baseada em valores.
O novo trabalho enfatiza a importante interação entre experimento e teoria, convergindo para uma descrição das regras que regem o modo como um animal aprende – um resultado que os pesquisadores dizem ser satisfatório tanto no nível conceitual quanto no mecanicista.
“Ser capaz de ver que é possível obter estas decisões económicas sofisticadas através desta simples explicação mecanicista sobre como as sinapses estão a mudar é uma excelente ilustração do que a neurociência cognitiva mecanicista pode significar”, diz Fitzgerald. “Estamos pegando essa propriedade universal e usando os pontos fortes desses pequenos animais para realmente acertá-la mecanicamente”.
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