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Alguns sonhos podem, de facto, prever o futuro: uma nova investigação descobriu que, durante o sono, alguns neurónios não só reproduzem o passado recente, mas também antecipam experiências futuras.
A descoberta faz parte de uma série de insights proporcionados por um estudo sobre sono e aprendizagem publicado em Natureza por uma equipe de pesquisadores da Rice University e da University of Michigan. A pesquisa oferece uma visão sem precedentes de como os neurônios individuais no hipocampo de ratos estabilizam e ajustam as representações espaciais durante os períodos de descanso após a primeira vez que os animais correram em um labirinto.
“Certos neurônios disparam em resposta a estímulos específicos”, disse Kamran Diba, professor associado de anestesiologia em Michigan e autor correspondente do estudo. “Os neurônios no córtex visual disparam quando apresentados ao estímulo visual apropriado. Os neurônios que estamos estudando mostram preferências de lugar.”
Juntamente com colaboradores do Laboratório de Circuitos Neurais e Memória de Michigan, liderado por Diba, o neurocientista Caleb Kemere, do Rice, tem estudado o processo pelo qual esses neurônios especializados produzem uma representação do mundo após uma nova experiência. Especificamente, os pesquisadores rastrearam ondulações de ondas acentuadas, um padrão de ativação neuronal conhecido por desempenhar um papel na consolidação de novas memórias e, mais recentemente, também mostrou quais partes de uma nova experiência devem ser armazenadas como memórias.
“Pela primeira vez neste artigo, observamos como esses neurônios individuais estabilizam as representações espaciais durante os períodos de descanso”, disse Kemere, professor associado de engenharia elétrica e de computação e bioengenharia na Rice.
O sono é fundamental para a memória e a aprendizagem – a ciência quantificou esta intuição milenar medindo o desempenho em testes de memória após uma soneca, em oposição a após um período de vigília ou mesmo de privação de sono.
Há algumas décadas, os cientistas também descobriram que os neurónios nos cérebros de animais adormecidos que tinham sido autorizados a explorar um novo ambiente pouco antes de descansar estavam a disparar de uma forma que reproduzia as trajectórias dos animais durante a exploração. Esta descoberta está alinhada com o conhecimento de que o sono ajuda a cristalizar novas experiências em memórias estáveis, sugerindo assim que as representações espaciais de muitos destes neurónios especializados no hipocampo são estáveis durante o sono. No entanto, os pesquisadores queriam ver se havia mais nessa história.
“Imaginamos que alguns neurônios poderiam mudar suas representações – refletindo a experiência que todos tivemos de acordar com uma nova compreensão de um problema”, disse Kemere. “Mostrar isso, no entanto, exigiu que rastreássemos como os neurônios individuais alcançam o ajuste espacial, ou seja, o processo pelo qual o cérebro aprende a navegar por uma nova rota ou ambiente.”
Os pesquisadores treinaram ratos para correr de um lado para o outro em uma pista elevada com recompensa líquida em cada extremidade e observaram como os neurônios individuais no hipocampo dos animais “aumentavam” no processo. Ao calcular uma taxa média de picos ao longo de muitas voltas, os pesquisadores foram capazes de estimar o campo de localização dos neurônios – ou a área no ambiente com a qual um determinado neurônio “se importava”.
“O ponto crítico aqui é que os campos de localização são estimados usando o comportamento do animal”, disse Kemere, destacando o desafio de avaliar o que acontece com os campos de localização durante os períodos de descanso, quando o animal não está se movendo fisicamente pelo labirinto.
“Há muito tempo que penso em como podemos avaliar as preferências dos neurónios fora do labirinto, como durante o sono”, disse Diba. “Nós abordamos esse desafio relacionando a atividade de cada neurônio individual com a atividade de todos os outros neurônios”.
Esta foi a principal inovação do estudo: os investigadores desenvolveram uma abordagem estatística de aprendizagem automática que utilizou os outros neurónios pesquisados para mapear uma estimativa de onde o animal sonhava estar. Em seguida, eles usaram essas posições sonhadas para estimar o processo de ajuste espacial para cada neurônio em seus conjuntos de dados.
“A capacidade de rastrear as preferências dos neurônios mesmo sem estímulo foi um avanço importante para nós”, disse Diba.
Tanto Diba quanto Kemere elogiaram Kourosh Maboudi, pesquisador de pós-doutorado em Michigan e autor principal do estudo, por seu papel no desenvolvimento da abordagem de ajuste aprendida.
O método confirmou que as representações espaciais que se formam durante a experiência de um novo ambiente são, para a maioria dos neurônios, estáveis durante várias horas de sono pós-experiência. Mas, como os pesquisadores haviam previsto, havia mais nessa história.
“O que mais adorei nesta pesquisa e a razão pela qual fiquei tão entusiasmado com ela é descobrir que não é necessariamente o caso de que durante o sono a única coisa que esses neurônios fazem é estabilizar a memória da experiência”, disse Kemere. . “Acontece que alguns neurônios acabam fazendo outra coisa.
“Podemos ver essas outras mudanças ocorrendo durante o sono, e quando colocamos os animais de volta no ambiente pela segunda vez, podemos validar que essas mudanças realmente refletem algo que foi aprendido enquanto os animais dormiam. para o espaço realmente acontece enquanto o animal está dormindo.”
Isto é significativo porque constitui uma observação direta da neuroplasticidade enquanto ela acontece durante o sono. Kemere sublinhou que quase todas as pesquisas sobre plasticidade – que examinam os mecanismos que permitem aos neurónios religarem-se e formarem novas representações – analisam o que acontece durante os períodos de vigília, à medida que os estímulos são apresentados, e não durante o sono, quando os estímulos relevantes estão ausentes.
“Parece que a plasticidade ou a religação no cérebro requerem escalas de tempo realmente rápidas”, disse Diba, apontando para a fascinante relação entre a duração da experiência real, “que pode durar segundos, minutos, mas também horas ou dias”, e memórias reais, “que são supercomprimidas”.
“Se você se lembra de alguma coisa, a memória é instantânea”, disse Diba, referindo-se a uma famosa passagem literária do escritor modernista francês Marcel Proust, na qual uma memória de infância revela todo um mundo perdido de experiências passadas num piscar de olhos.
O estudo é um exemplo dos avanços na neurociência possibilitados nas últimas décadas pelo progresso tecnológico no projeto de sondas neurais estáveis e de alta resolução, bem como pelo poder de computação apoiado pelo aprendizado de máquina.
À luz destes avanços, Kemere disse que a ciência do cérebro está preparada para fazer progressos significativos no futuro, ao mesmo tempo que expressa preocupação com o impacto dos recentes cortes orçamentais na investigação contínua.
“É bem possível que, se começássemos este trabalho hoje, não teríamos sido capazes de fazer estas experiências e obter estes resultados”, disse Kemere. “Estamos definitivamente gratos pela oportunidade existir.”
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