O cérebro precisa lidar constantemente com a natureza altamente variável e acelerada do mundo ao tentar interpretar o que acontece ao seu redor. Por um lado, precisa estar aberto a qualquer nova informação sensorial que possa surgir, mas, por outro, para acompanhar o ritmo, precisa tentar aproveitar experiências anteriores para fazer previsões sobre o que parece estar acontecendo. 

Em um novo estudo publicado na revista Science , neurocientistas do MIT identificaram um circuito que liga uma região responsável pela tomada de decisões sensoriais a outra que a informa sobre a intensidade da mudança na informação sensorial.

“Este circuito organiza uma comparação entre o que acabou de acontecer e o que está acontecendo agora no mundo sensorial, de uma forma que pode ser usada para agir”, afirma a autora sênior do estudo, Mriganka Sur , professora Newton no Instituto Picower de Aprendizagem e Memória e no Departamento de Ciências Cerebrais e Cognitivas do MIT.

O autor principal do estudo, Ning Leow, PhD '23, ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Sur e atualmente pós-doutorando na A*STAR em Singapura, afirma que o estudo em camundongos lança luz sobre circuitos muito semelhantes em humanos, nos quais uma área do córtex pré-frontal (o córtex cingulado anterior, ou ACC) toma decisões sensoriais. O novo estudo mostra que essas decisões são baseadas em informações sobre o passado recente provenientes de uma área do tálamo chamada pulvinar (embora em camundongos seja chamada de tálamo lateral posterior, ou LP).

“O cérebro não avalia cada novo evento do zero”, diz Leow. “O pulvinar tem sido tradicionalmente estudado por seu papel na atenção e na filtragem de informações visuais, mas descobrimos que ele também é importante para comparar informações presentes com o passado imediato e destacar mudanças significativas que influenciam se mantemos ou atualizamos uma decisão.”

Como parte do interesse de longa data de Sur em como o córtex cerebral integra a percepção sensorial e o aprendizado para produzir comportamento, Leow e Sur começaram a mapear de forma abrangente as inúmeras entradas para o circuito LP-ACC, culminando em um artigo em 2022. Ficou claro a partir desse estudo como o circuito parecia bem posicionado para ajudar a focar a atenção, que era o que ele já era conhecido na época.

Mas, ao refletirem mais profundamente sobre a função da atenção focada e sobre como essas regiões bem conectadas parecem estar no centro não apenas da atenção, mas também da percepção e da ação, Sur e Leow levantaram a hipótese de que elas também poderiam desempenhar um papel na tomada de decisões baseadas em informações sensoriais. O novo estudo apresenta diversas evidências que corroboram essa hipótese.

Segundo Sur, as descobertas não apenas esclarecem uma função fundamental do cérebro, mas também podem ser aplicáveis a estudos sobre autismo, nos quais muitos pacientes apresentam diferenças significativas nas previsões que fazem sobre o mundo sensorial. Frequentemente, isso se manifesta como dificuldade em filtrar estímulos que pessoas neurotípicas conseguem considerar recorrentes e, portanto, banais.

Para realizar o estudo, os pesquisadores treinaram camundongos de laboratório para jogar um videogame no qual pontos em uma tela se moviam, mas pelo menos alguns se moviam juntos na mesma direção (esquerda ou direita). Em cada tentativa, os camundongos tinham que discernir essa tendência. De uma tentativa para a seguinte, o estímulo sensorial podia variar não apenas pela direção do movimento, mas também pela proporção de pontos que participavam. Por exemplo, em uma tentativa, talvez 64% dos pontos se movessem para a esquerda e, na tentativa seguinte, talvez 16% dos pontos se movessem para a direita. Dessa forma, os pesquisadores puderam medir todo um espectro de diferenças de uma tentativa para a seguinte. 

Enquanto isso, enquanto os ratos brincavam, os cientistas usaram um microscópio de dois fótons para registrar a atividade do circuito LP-ACC e a resposta dos neurônios no ACC. Em alguns experimentos, eles usaram uma técnica chamada optogenética para ativar o circuito artificialmente.

Ao acompanhar o desempenho dos ratos na tarefa, tentativa após tentativa, os pesquisadores puderam constatar que os ratos realmente levavam em consideração não apenas o que viam no momento, mas também o que tinham visto anteriormente. Por exemplo, quando os ratos acertavam, era muito provável que repetissem o palpite se a nova pista fosse muito semelhante à anterior, e muito improvável que o fizessem se a pista fosse muito diferente. Mas se errassem, o oposto era verdadeiro: não repetiriam a decisão se a pista fosse semelhante à anterior, mas a repetiriam se fosse muito diferente.

É claro que as observações comportamentais apenas indicaram que os ratos de fato comparavam novas pistas com pistas anteriores. Determinar se isso se devia de fato ao circuito LP-ACC exigiu que os pesquisadores usassem optogenética para perturbá-lo (estimulando atividade extra nas entradas do LP para o ACC). Por exemplo, a perturbação optogenética do circuito no hemisfério esquerdo do cérebro fez com que os ratos tivessem menos probabilidade de adivinhar que os pontos estavam se movendo para a direita, e a perturbação no hemisfério direito fez com que os ratos tivessem mais probabilidade de adivinhar que os pontos estavam se movendo para a direita. Mas, em ambos os casos, a extensão desses desvios do comportamento normal foi diretamente proporcional à diferença entre a pista atual e a anterior. Em outras palavras, perturbar o circuito interrompeu a maneira como os ratos usavam o histórico sensorial recente ao avaliar novas evidências, diz Leow.

Além disso, usando imagens de microscópio (que visualizam os níveis de cálcio nos neurônios, um indicador próximo da atividade elétrica), os pesquisadores analisaram extensivamente os padrões de atividade da entrada LP no ACC e como os neurônios do ACC reagiram a essa entrada.

“A principal conclusão é que o LP e o ACC desempenhavam funções diferentes”, diz Leow. “O pulvinar não parece tomar a decisão por si só. Em vez disso, ele envia essa comparação sensorial com base no histórico para o córtex frontal. O ACC, então, transforma essa informação na atividade neural que prevê a escolha final do animal.”

Essencialmente, o pulvinar informa o ACC sobre o grau de mudança, para que o córtex frontal possa considerar se é hora de alterar um palpite. Afinal, se um rato está acertando e pouca coisa está mudando, por que não continuar assim? Mas se houver uma grande mudança, então pode fazer sentido para o rato reavaliar o que está pensando.

Acontece que o cérebro possui um circuito específico para isso.

Além de Leow e Sur, os outros autores do artigo são Arundhati Natesan, Alexandria Barlowe, Sofie Ährlund-Richter, Tianyu (Cindy) Luo e Mehrdad Jazayeri.

A pesquisa foi financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH), por meio de uma bolsa MURI, pela Iniciativa de Pesquisa sobre Autismo da Fundação Simons, pela A*STAR e pela Fundação Freedom Together.