Ao navegar por um lugar com o qual temos pouca familiaridade, muitas vezes nos baseamos em pontos de referência únicos para nos orientar. No entanto, se estivermos procurando um escritório em um prédio de tijolos e houver muitos prédios de tijolos ao longo do nosso caminho, podemos usar uma regra como procurar o segundo prédio na rua, em vez de depender da identificação do prédio em si.

Até que essa ambiguidade seja resolvida, devemos ter em mente que existem múltiplas possibilidades (ou hipóteses) para onde estamos em relação ao nosso destino. Em um estudo com camundongos, neurocientistas do MIT descobriram que essas hipóteses são explicitamente representadas no cérebro por padrões distintos de atividade neural.

Esta é a primeira vez que padrões de atividade neural que codificam hipóteses simultâneas foram observados no cérebro. Os pesquisadores descobriram que essas representações, observadas no córtex retroesplenial (CRE), não apenas codificam hipóteses, mas também podem ser usadas pelos animais para escolher o caminho correto a seguir.

“Até onde sabemos, ninguém demonstrou em uma tarefa de raciocínio complexo que há uma área no córtex associativo que mantém duas hipóteses em mente e então usa uma delas, quando obtém mais informações, para realmente completar a tarefa”, diz Mark Harnett, professor associado de ciências cognitivas e do cérebro, membro do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT e autor sênior do estudo.

Jakob Voigts, PhD '17, ex-pós-doutorado no laboratório de Harnett e agora líder de grupo no Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, é o principal autor do artigo, que aparece hoje na Nature Neuroscience .

O RSC recebe informações do córtex visual, da formação hipocampal e do tálamo anterior, que ele integra para ajudar a orientar a navegação.

Em um  artigo de 2020 , o laboratório de Harnett descobriu que o RSC usa informações visuais e espaciais para codificar pontos de referência usados para navegação. Nesse estudo, os pesquisadores mostraram que os neurônios no RSC de camundongos integram informações visuais sobre o ambiente circundante com o feedback espacial da própria posição do camundongo ao longo de uma trilha, permitindo que eles aprendam onde encontrar uma recompensa com base nos pontos de referência que viram.

Em seu novo estudo, os pesquisadores queriam se aprofundar em como o RSC usa informações espaciais e contexto situacional para orientar a tomada de decisões de navegação. Para isso, os pesquisadores conceberam uma tarefa de navegação muito mais complexa do que a normalmente usada em estudos com camundongos. Eles montaram uma grande arena redonda, com 16 pequenas aberturas, ou portas, ao longo das paredes laterais. Uma dessas aberturas daria aos camundongos uma recompensa quando eles enfiassem o focinho por ela. No primeiro conjunto de experimentos, os pesquisadores treinaram os camundongos para irem a diferentes portas de recompensa, indicadas por pontos de luz no chão, que só eram visíveis quando os camundongos se aproximavam deles.

Assim que os camundongos aprenderam a realizar essa tarefa relativamente simples, os pesquisadores adicionaram um segundo ponto. Os dois pontos estavam sempre à mesma distância um do outro e do centro da arena. Mas agora os camundongos tinham que ir até a porta pelo ponto no sentido anti-horário para receber a recompensa. Como os pontos eram idênticos e só se tornavam visíveis a curtas distâncias, os camundongos nunca conseguiam ver os dois pontos ao mesmo tempo e não conseguiam determinar imediatamente qual ponto era qual.

Para resolver essa tarefa, os camundongos tiveram que se lembrar de onde esperavam que um ponto aparecesse, integrando a posição do próprio corpo, a direção para a qual estavam se dirigindo e o caminho que percorreram para descobrir qual ponto de referência era qual. Ao medir a atividade do CRE à medida que os camundongos se aproximavam dos pontos de referência ambíguos, os pesquisadores puderam determinar se o CRE codifica hipóteses sobre a localização espacial. A tarefa foi cuidadosamente projetada para exigir que os camundongos utilizassem os pontos de referência visuais para obter recompensas, em vez de outras estratégias, como pistas olfativas ou estimativa.

“O importante sobre o comportamento neste caso é que os camundongos precisam se lembrar de algo e então usar isso para interpretar informações futuras”, diz Voigts, que trabalhou neste estudo como pós-doutorando no laboratório de Harnett. “Não se trata apenas de lembrar de algo, mas de lembrar de tal forma que você possa agir de acordo com isso.”

Os pesquisadores descobriram que, à medida que os camundongos acumulavam informações sobre qual ponto poderia ser qual, populações de neurônios RSC exibiam padrões de atividade distintos para informações incompletas. Cada um desses padrões parece corresponder a uma hipótese sobre onde o camundongo pensava estar em relação à recompensa.

Quando os camundongos se aproximaram o suficiente para descobrir qual ponto indicava a porta de recompensa, esses padrões se fundiram naquele que representa a hipótese correta. As descobertas sugerem que esses padrões não apenas armazenam hipóteses passivamente, como também podem ser usados para calcular como chegar ao local correto, afirmam os pesquisadores.

“Mostramos que o RSC possui as informações necessárias para usar essa memória de curto prazo para distinguir os pontos de referência ambíguos. E mostramos que esse tipo de hipótese é codificado e processado de uma forma que permite que o RSC o utilize para resolver o cálculo”, diz Voigts.

Ao analisar seus resultados iniciais, Harnett e Voigts consultaram o professor do MIT Ila Fiete, que havia conduzido um estudo cerca de 10 anos atrás usando uma rede neural artificial para realizar uma tarefa de navegação semelhante.

Esse estudo, publicado anteriormente no bioRxiv, mostrou que a rede neural exibia padrões de atividade conceitualmente semelhantes aos observados nos estudos com animais conduzidos pelo laboratório de Harnett. Os neurônios da rede neural artificial acabaram formando redes de baixa dimensão altamente interconectadas, como os neurônios do RSC.

"Essa interconectividade parece, de maneiras que ainda não compreendemos, ser fundamental para o surgimento dessas dinâmicas e seu controle. E é uma característica fundamental de como o RSC considera essas duas hipóteses simultaneamente", diz Harnett.

Em seu laboratório em Janelia, Voigts agora planeja investigar como outras áreas do cérebro envolvidas na navegação, como o córtex pré-frontal, são acionadas enquanto camundongos exploram e buscam alimento de uma forma mais natural, sem serem treinados para uma tarefa específica.

“Estamos investigando se existem princípios gerais pelos quais as tarefas são aprendidas”, diz Voigts. “Temos muito conhecimento em neurociência sobre como o cérebro funciona depois que o animal aprende uma tarefa, mas, em comparação, sabemos muito pouco sobre como os camundongos aprendem tarefas ou o que eles escolhem aprender quando têm liberdade para se comportar naturalmente.”

A pesquisa foi financiada, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde, uma bolsa de pós-doutorado do Simons Center for the Social Brain do MIT, o Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais e o Centro de Cérebros, Mentes e Máquinas do MIT, financiado pela National Science Foundation.