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Nicholas G. Hatsopoulos, PhD, professor de biologia e anatomia do organismo na Universidade de Chicago, há muito se interessa pelo espaço. Especificamente, o espaço físico ocupado pelo cérebro.
“Dentro de nossas cabeças, o cérebro está todo amassado. Se você achatasse o córtex humano em uma única folha 2D, cobriria dois pés quadrados e meio de espaço – aproximadamente o tamanho de quatro pedaços de papel. Você pensaria que o cérebro aproveitaria todo esse espaço ao organizar os padrões de atividade, mas, além de saber que uma parte do cérebro controla o braço e outra controla a perna, ignoramos principalmente como o cérebro pode usar essa organização espacial.”
Agora, em um novo estudo publicado em 16 de janeiro na Anais da Academia Nacional de Ciências, Hatsopoulos e sua equipe encontraram evidências de que o cérebro realmente usa a organização espacial das ondas de propagação de alta frequência da atividade neuronal durante o movimento.
A presença de ondas de propagação de atividade neuronal foi bem estabelecida, mas elas são tradicionalmente associadas ao estado comportamental geral de um animal (como acordado ou dormindo). Este estudo é a primeira evidência de que o recrutamento organizado espacialmente da atividade neuronal através do córtex motor pode informar detalhes de um movimento planejado.
A equipe espera que o trabalho ajude a informar como pesquisadores e engenheiros decodificam informações motoras para construir melhores interfaces cérebro-máquina.
Para conduzir o estudo, os pesquisadores registraram a atividade de arranjos de múltiplos eletrodos implantados no córtex motor primário de macacos enquanto os macacos executavam uma tarefa que exigia que eles movessem um joystick. Em seguida, eles procuraram padrões de atividade semelhantes a ondas, especificamente aqueles de alta amplitude.
“Nós nos concentramos nos sinais da banda de alta frequência, devido à sua riqueza de informações, alcance espacial ideal e facilidade de obtenção de sinal em todos os eletrodos”, disse Wei Liang, primeiro autor do estudo e aluno de pós-graduação no laboratório de Hatsopoulos.
Eles descobriram que essas ondas de propagação, compostas pela atividade de centenas de neurônios, viajavam em diferentes direções pela superfície cortical com base na direção em que o macaco empurrava o joystick.
“É como uma série de dominós caindo”, disse Hatsopoulos. “Todos os padrões de onda que vimos no passado não nos diziam o que o animal estava fazendo, apenas acontecia. Isso é muito emocionante porque agora estamos olhando para esse padrão de propagação de onda e mostramos que a direção do onda vai diz algo sobre o que o animal está prestes a fazer.”
Os resultados fornecem uma nova maneira de olhar para a função cortical. “Isso mostra que o espaço importa”, disse Hatsopoulos. “Em vez de apenas olhar para o que as populações de neurônios fazem e com as quais se preocupam, estamos vendo que há um padrão organizado espacialmente que carrega informações. Essa é uma maneira muito diferente de pensar sobre as coisas.”
A pesquisa foi desafiadora devido ao fato de que eles estavam estudando os padrões de atividade de movimentos individuais, em vez de fazer a média das gravações em tentativas repetidas, que podem ser bastante ruidosas. A equipe conseguiu desenvolver um método computacional para limpar os dados para fornecer clareza sobre os sinais registrados sem perder informações importantes.
“Se você fizer a média entre as tentativas, perderá informações”, disse Hatsopoulos. “Se quisermos implementar este sistema como parte de uma interface cérebro-máquina, não podemos calcular a média dos testes – seu decodificador precisa fazer isso em tempo real, conforme o movimento está acontecendo, para que o sistema funcione de maneira eficaz”.
Saber que essas ondas contêm informações sobre o movimento abre a porta para uma nova dimensão de compreensão de como o cérebro move o corpo, o que pode, por sua vez, fornecer informações adicionais para os sistemas computacionais que conduzirão as interfaces cérebro-máquina do futuro.
“A dimensão espacial tem sido ignorada até agora, mas é um novo ângulo que podemos usar para entender a função cortical”, disse Hatsopoulos. “Quando tentamos entender os cálculos que o córtex está fazendo, devemos considerar como os neurônios são dispostos espacialmente”.
Estudos futuros examinarão se padrões de ondas semelhantes são observados em movimentos mais complicados, como movimentos sequenciais em oposição ao simples alcance ponto a ponto, e se a estimulação elétrica do cérebro semelhante a ondas pode influenciar o movimento do macaco.
O estudo, “Propagação de padrões de atividade espaço-temporal através do córtex motor de macacos carrega informações cinemáticas”, foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01 NS111982). Autores adicionais incluem Karthikeyan Balasubramanianb e Vasileios Papadourakis da Universidade de Chicago.
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