Leituras pela manhã - porque aprendemos tão rapidamente

 

Neurónios Codificam Informação no 'Timing' do seu disparo

Elena Renken

Durante décadas, os neurocientistas têm tratado o cérebro de certa forma como um contador Geiger: a velocidade a que os neurónios disparam é tomada como medida de actividade, tal como a taxa de cliques de um contador Geiger indica a força da radiação. No entanto, novas investigações sugerem que o cérebro pode ser mais como um instrumento musical. Quando se toca piano, a frequência com que se bate nas teclas é importante, mas o timing preciso das notas é também essencial para a melodia.

"É realmente importante não apenas quantas [activações neuronais] ocorrem, mas quando ocorrem, exactamente", disse Joshua Jacobs, um neurocientista e engenheiro biomédico da Universidade de Columbia que relatou novas evidências que sustentam para esta afirmação.

Pela primeira vez, Jacobs e dois co-autores observaram neurónios no cérebro humano codificando informação espacial através do timing do seu disparo, em vez da velocidade desse disparo. Este fenómeno de disparo temporal está bem documentado em certas áreas cerebrais de ratos, mas o novos estudos sugerem que pode estar muito mais difundido nos cérebros de mamíferos. "Quanto mais o procuramos mais o vemos", disse Jacobs.

Alguns investigadores pensam que a descoberta pode ajudar a resolver um grande mistério: como os cérebros podem aprender tão rapidamente.

O fenómeno é chamado, «precessão de fase». É uma relação entre o ritmo contínuo de uma onda cerebral - o fluxo e refluxo geral de sinalização eléctrica numa área do cérebro - e os momentos específicos que os neurónios nessa área cerebral activam. Uma onda cerebral theta, por exemplo, sobe e cai num padrão consistente ao longo do tempo, mas os neurónios disparam de forma inconsistente, em diferentes pontos da trajectória da onda. Desta forma, as ondas cerebrais agem como um relógio, disse um dos co-autores do estudo, Salman Qasim. Deixam os neurónios cronometrar os seus disparos precisamente para que aterrem ao alcance de outros neurónios - forjando assim ligações entre os neurónios.

Os investigadores começaram a reparar na fase de precessão há décadas, entre os neurónios em cérebros de rato que codificam informação sobre a posição espacial. Tanto o cérebro humano como o cérebro de rato contêm estas chamadas «células de lugar», cada uma das quais está sintonizada a uma região específica ou "campo de lugar". Os nossos cérebros parecem escalar estes campos de lugares para cobrir os contextos actuais, quer sejam quilómetros de auto-estrada ou os quartos de casa, disse Kamran Diba, um neurocientista da Universidade de Michigan. Quanto mais perto se chega do centro de um campo de lugares, mais rápido é o disparo da célula do lugar correspondente. À medida que se sai de um campo de um lugar e se entra noutro, o disparo da célula do primeiro lugar termina, enquanto que a do segundo a apanha.

Juntamente com o ritmo, há também o tempo: à medida que o rato passa por um campo de lugar, a célula de lugar associado dispara mais cedo em relação ao ciclo da onda theta de fundo. À medida que o rato atravessa um campo de um lugar para outro, o disparo muito precoce da célula do primeiro lugar ocorre próximo no tempo com o disparo tardio da célula do lugar seguinte. As seus disparos quase coincidentes causam o fortalecimento da sinapse, ou ligação, entre eles e, este acoplamento das células do local, ingressa na trajectória do rato no cérebro. (A informação parece ser codificada através do reforço das sinapses apenas quando dois neurónios disparam a dezenas de milissegundos um do outro).

A precessão de fase é óbvia nos ratos. "É tão proeminente e prevalecente no cérebro dos roedores que nos leva a assumir ser um mecanismo generalizável", disse Qasim. Os cientistas também tinham identificado a precessão de fase no processamento espacial de morcegos, mas o padrão era elusivo nos humanos até agora.

A monitorização de neurónios individuais é demasiado invasiva para ser feita pelo participante médio do estudo humano, mas a equipa de Columbia aproveitou os dados recolhidos há anos atrás de 13 pacientes com epilepsia que já tinham tido eléctrodos implantados para mapear os sinais eléctricos das suas convulsões. Os eléctrodos registaram os disparos de neurónios individuais, enquanto os pacientes orientaram o seu caminho através de uma simulação de realidade virtual utilizando um joystick. À medida que os pacientes manobravam, os investigadores identificaram a precessão de fase em 12% dos neurónios que estavam a monitorizar.

A extracção destes sinais exigiu uma análise estatística sofisticada, porque os humanos apresentam um padrão mais complicado de sobreposição de ondas cerebrais do que os roedores - e porque menos da nossa actividade neural é dedicada à navegação. Mas os investigadores poderiam dizer definitivamente que a precessão de fase está lá.

Outras investigações sugerem que a precessão de fase pode ser crucial para além da navegação. Nos animais, o fenómeno tem estado ligado a percepções não-espaciais, incluindo o processamento de sons e odores. E nos seres humanos, a investigação co-autoria de Jacobs no ano passado encontrou a precessão de fase em células cerebrais sensíveis ao tempo. Uma pré-impressão ainda não revista por cientistas cognitivos em França e nos Países Baixos indicou que o processamento de imagens em série envolvia também a precessão de fase. Finalmente, no novo estudo de Jacobs, ela foi encontrada não só na navegação literal, mas também na progressão para objectivos abstractos, na simulação.

Estes estudos sugerem que a precessão de fase permite ao cérebro ligar sequências de tempos, imagens e eventos da mesma forma que as posições espaciais. "Encontrar essa primeira evidência abre realmente a porta para que seja uma espécie de mecanismo de codificação universal no cérebro - através de espécies de mamíferos, possivelmente", disse Qasim. "Pode estar a faltar-lhe uma grande quantidade de codificação de informação se não estiver a seguir o tempo relativo da actividade neural".

Os neurocientistas estão, de facto, à procura de um novo tipo de codificação no cérebro para responder à pergunta antiga: Como é que o cérebro codifica a informação tão rapidamente? Entende-se que os padrões nos dados externos se enraízam nos padrões de disparo da rede através do reforço e enfraquecimento das ligações sinápticas. Mas os investigadores de inteligência artificial normalmente têm de treinar redes neurais artificiais em centenas ou milhares de exemplos de um padrão ou conceito antes que as forças sinápticas se ajustem o suficiente para que a rede aprenda o padrão. Misteriosamente, os humanos podem tipicamente aprender com apenas um ou um punhado de exemplos.

A precessão de fase poderia desempenhar um papel nessa disparidade. Uma sinal vem de um estudo realizado por investigadores de Johns Hopkins que descobriram que a precessão de fase apareceu em ratos a aprender uma pista desconhecida - na sua primeira volta. "Assim que se aprende alguma coisa, este padrão de sequências de aprendizagem já está em vigor", acrescentou Qasim. "Isso pode facilitar uma aprendizagem muito rápida das sequências".

A precessão de fase organiza o calendário para que a aprendizagem aconteça com mais frequência do que poderia de outra forma. Organiza os neurónios activados por informação relacionada para disparar em sucessão rápida, o suficiente para que a sinapse entre eles se reforce. "Apontaria para esta noção de que o cérebro está basicamente a computar mais rapidamente do que se imagina apenas a partir da razão da codificação", disse Diba.

Existem outras teorias sobre as nossas capacidades de aprendizagem rápida. E os investigadores sublinharam que é difícil tirar conclusões sobre qualquer papel generalizado para a precessão de fases no cérebro a partir dos estudos, limitados, até agora.

Ainda assim, uma busca exaustiva do fenómeno pode estar em ordem. Bradley Lega, um neurologista do Centro Médico da Universidade do Texas Southwestern, disse: "Há muitos problemas que a precessão de fase pode resolver".