O primeiro mapa abrangente da atividade cerebral do rato foi revelado por uma grande colaboração internacional de neurocientistas. 

Pesquisadores do Laboratório Internacional do Cérebro (IBL), incluindo a neurocientista do MIT Ila Fiete , publicaram hoje suas descobertas de acesso aberto em dois artigos na Nature , revelando insights sobre como a tomada de decisões se desenvolve em todo o cérebro de camundongos com resolução de célula única. Este mapa de atividade cerebral desafia a visão hierárquica tradicional do processamento de informações no cérebro e mostra que a tomada de decisões é distribuída por diversas regiões de forma altamente coordenada.

“Esta é a primeira vez que alguém produziu um mapa completo, de todo o cérebro, da atividade de neurônios individuais durante a tomada de decisões”, explica Alexandre Pouget, cofundador do IBL. “A escala é sem precedentes, pois registramos mais de meio milhão de neurônios em camundongos em 12 laboratórios, abrangendo 279 áreas cerebrais, que juntas representam 95% do volume cerebral dos camundongos. A atividade de tomada de decisão, e em particular a recompensa, iluminou o cérebro como uma árvore de Natal”, acrescenta Pouget, que também é líder de grupo na Universidade de Genebra, na Suíça.

O mapa cerebral foi possível graças a uma importante colaboração internacional de neurocientistas de diversas universidades, incluindo o MIT. Pesquisadores de 12 laboratórios utilizaram eletrodos de silício de última geração, chamados sondas de neuropixels, para gravações neurais simultâneas a fim de medir a atividade cerebral enquanto camundongos realizavam uma tarefa de tomada de decisão.

“Participar do Laboratório Internacional do Cérebro adicionou novas maneiras para o nosso grupo contribuir para a ciência”, diz Fiete, que também é professor de ciências cerebrais e cognitivas, pesquisador associado do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro e diretor do Centro K. Lisa Yang ICoN no MIT. “Nosso laboratório ajudou a padronizar métodos para analisar e gerar conclusões robustas a partir de dados. Como neurocientistas computacionais interessados ??em construir modelos de como o cérebro funciona, o acesso a gravações de todo o cérebro é incrível: a abordagem tradicional de gravar de uma ou algumas áreas cerebrais limitava nossa capacidade de construir e testar teorias, resultando em modelos fragmentados. Agora, temos a deliciosa, mas formidável tarefa de entender como todas as partes do cérebro se coordenam para executar um comportamento. Surpreendentemente, ter uma visão completa do cérebro leva a simplificações nos modelos de tomada de decisão”, diz Fiete.

Os laboratórios coletaram dados de camundongos realizando uma tarefa de tomada de decisão com componentes sensoriais, motores e cognitivos. Na tarefa, um camundongo fica em frente a uma tela e uma luz aparece no lado esquerdo ou direito. Se o camundongo responder movendo uma pequena roda na direção correta, ele recebe uma recompensa.

Em alguns testes, a luz é tão fraca que o animal precisa adivinhar para que lado girar a roda, o que pode ser feito com base em conhecimento prévio: a luz tende a aparecer com mais frequência em um lado por várias tentativas, antes que o lado de alta frequência mude. Camundongos bem treinados aprendem a usar essa informação para ajudá-los a fazer suposições corretas. Esses testes desafiadores, portanto, permitiram que os pesquisadores estudassem como as expectativas anteriores influenciam a percepção e a tomada de decisões.

O primeiro artigo, " Um mapa cerebral da atividade neural durante comportamento complexo ", mostrou que os sinais de tomada de decisão são surpreendentemente distribuídos por todo o cérebro, não se localizando em regiões específicas. Isso adiciona evidências de todo o cérebro a um número crescente de estudos que desafiam o modelo hierárquico tradicional da função cerebral e enfatizam que há comunicação constante entre as áreas cerebrais durante a tomada de decisão, o início do movimento e até mesmo a recompensa. Isso significa que os neurocientistas precisarão adotar uma abordagem mais holística, abrangendo todo o cérebro, ao estudar comportamentos complexos no futuro.

“A amplitude sem precedentes de nossas gravações revela como todo o cérebro realiza todo o arco de processamento sensorial, tomada de decisão cognitiva e geração de movimento”, afirma Fiete. “Estruturar uma colaboração que coleta um grande conjunto de dados padronizados, que laboratórios isolados não conseguiriam reunir, representa uma nova direção revolucionária para a neurociência de sistemas, introduzindo o campo no modo hipercolaborativo que contribuiu para avanços na física de partículas e na genética humana. Além de nossas próprias conclusões, o conjunto de dados e as tecnologias associadas, que foram divulgados muito antes como parte da missão do IBL, já se tornaram um recurso amplamente utilizado por toda a comunidade neurocientífica.”

O segundo artigo, “ Representações cerebrais de informações prévias ”, mostrou que as expectativas prévias — nossas crenças sobre o que provavelmente acontecerá com base em nossa experiência recente — são codificadas em todo o cérebro. Surpreendentemente, essas expectativas não são encontradas apenas em áreas cognitivas, mas também em áreas do cérebro que processam informações sensoriais e controlam ações. Por exemplo, as expectativas são codificadas até mesmo em áreas sensoriais precoces, como o tálamo, o primeiro retransmissor do cérebro para a entrada visual do olho. Isso apoia a visão de que o cérebro atua como uma máquina de previsão, mas com as expectativas codificadas em múltiplas estruturas cerebrais desempenhando um papel central na orientação das respostas comportamentais. Essas descobertas podem ter implicações para a compreensão de condições como esquizofrenia e autismo, que se acredita serem causadas por diferenças na maneira como as expectativas são atualizadas no cérebro.

Olhando para o futuro, a equipe do IBL planeja expandir seu foco inicial na tomada de decisões para explorar uma gama mais ampla de questões neurocientíficas. Com o financiamento renovado, o IBL pretende expandir seu escopo de pesquisa e continuar a apoiar experimentos padronizados em larga escala.

Lançado oficialmente em 2017, o IBL introduziu um novo modelo de colaboração em neurociência que utiliza um conjunto padronizado de ferramentas e pipelines de processamento de dados compartilhados entre vários laboratórios, permitindo a coleta de conjuntos de dados massivos, garantindo o alinhamento e a reprodutibilidade dos dados. Essa abordagem para democratizar e acelerar a ciência se inspira em colaborações em larga escala em física e biologia, como o CERN e o Projeto Genoma Humano.

Todos os dados desses estudos, juntamente com as especificações detalhadas das ferramentas e protocolos utilizados para a coleta de dados, estão disponíveis publicamente para análise e pesquisa adicionais pela comunidade científica global. Resumos desses recursos podem ser visualizados e baixados no site do IBL nas seções: Dados, Ferramentas, Protocolos.

Esta pesquisa foi apoiada por doações da Wellcome, da Fundação Simons, dos Institutos Nacionais de Saúde, da Fundação Nacional de Ciências, da Fundação de Caridade Gatsby e da Sociedade Max Planck e da Fundação Humboldt.