A inesperada relatividade do GPS incorporado no cérebro

Como novos dados estão mudando nossa compreensão dos neurônios de localização

Os primeiros detalhes do "cérebro GPS embutido" começaram a aparecer na década de 1970. Nos laboratórios da University College London, John O'Keefe e seu aluno Jonathan Dostrovsky registraram a atividade elétrica dos neurônios no hipocampo de ratos em movimento livre. Eles encontraram um grupo de neurônios que eram ativados apenas quando o rato aparecia em um determinado local [ 1 ]. Eles chamaram essas células de " colocar neurônios ".

Com base nessas primeiras descobertas, O'Keefe e sua colega Lynn Nadel sugeriram que o hipocampo contém uma representação invariável do espaço, independente do humor ou dos desejos. Eles chamaram de " mapa cognitivo " [ 2 ]. Do ponto de vista deles, todos os neurônios do lugar no cérebro representam todo o ambiente do animal, e a ativação de uma determinada célula indica sua localização atual. Em outras palavras, o hipocampo funciona como um GPS. Ele diz onde você está no mapa, e esse mapa não muda, não importa se você está com fome e procura comida, ou quer dormir e procurando uma cama. O'Keefe e Nadel sugeriram que a localização absoluta, cuja idéia é armazenada nos neurônios do local, fornece uma plataforma mental que o animal pode usar para navegar em qualquer situação - para procurar comida ou locais de descanso.



Nos 40 anos seguintes, outros pesquisadores - incluindo Edward e May-Britt Moser, o casal - apoiaram a idéia de que os circuitos do hipocampo funcionam como GPS embutido [ 3 ]. Por seu trabalho pioneiro, O'Keefe e Mosers receberam o Prêmio Nobel de 2014 em Fisiologia ou Medicina. Pode-se decidir que o papel do hipocampo na orientação de animais no espaço foi desvendado.

Mas o estudo do cérebro nunca é tão direto. O Prêmio Nobel de 2014, como um fósforo que incendiou um pavio, provocou uma explosão de experimentação e idéias, algumas das quais se opuseram à interpretação inicial de O'Keefe e Nadel. Um novo trabalho sugeriu que, no caso da navegação espacial, o contorno do hipocampo não representa informações absolutas de localização, mas relativas e modificáveis ​​sob a influência da experiência. A exploração do hipocampo parece ter tropeçado em um antigo debate filosófico.

Durante séculos, os físicos lutaram com a questão de saber se o espaço é absoluto ou relativo, antes de se apoiar no lado da relatividade. Mas somente nos últimos anos, ao estudar o cérebro, eles começaram a fazer perguntas semelhantes. Por muitos anos, o espaço absoluto está encarregado da neurobiologia. Por exemplo, há muito tempo se supõe que o sistema visual tenha dois canais para o fluxo de informações. [ 4 ] O primeiro é o canal “what”, transmitindo informações sobre a identidade do objeto observado pelo animal. O segundo é o canal "onde", que contém informações sobre a localização absoluta do objeto. Acreditava-se que o canal “o quê” não contém nenhuma informação posicional. No entanto, um trabalho recente mostrou que, embora este canal não contenha informações sobre a localização absoluta do objeto, ele contém informações sobre a localização relativa. [ 5, 6 ] É provável que essas informações sobre a localização relativa sejam muito importantes para o reconhecimento de objetos.

Tais descobertas servem de ponto de partida para a ideia de que informações relativas são importantes para o cérebro. Este ponto de vista é reforçado pela síntese iniciada recentemente de neurobiologia com ciência da computação e IA. O trabalho na interseção dessas disciplinas mostrou que o cérebro usando um modelo mundial absoluto e imutável para a vida em um ambiente em constante mudança requer mais recursos computacionais do que o cérebro usando informações relativas. Compreender onde e quando o cérebro usa informações absolutas e onde informações relativas podem lançar luz sobre o trabalho, a flexibilidade e a velocidade de seus subsistemas e nosso comportamento. Em particular, o hipocampo pode ser um dos primeiros marcos nesta investigação.

Uma objeção chave à interpretação da representação absoluta da localização de O'Keefe e Nadel veio de uma obra do ano passado patrocinada por Kimberly Stachenfeld, Matthew Botvinnik e Samuel Gershman. [ 7 ] Esses pesquisadores, associados ao Google DeepMind, Universidade de Princeton, University College London e Harvard University, sugeriram que o hipocampo não é a localização absoluta do animal, mas para onde ele provavelmente irá no futuro próximo. Essa visão leva em conta movimentos preferidos e hábitos aprendidos. Deste ponto de vista, o hipocampo é um mapa preditivo, não absoluto.

Estudos anteriores mostraram que a atividade dos neurônios de um lugar diminui constantemente quando um animal se afasta do centro de um local de interesse para ele. O'Keefe e Nadel decidiram que isso é um sinal de que os neurônios do site representam a localização atual do animal. Porém, dentro da estrutura da plataforma proposta por Stachenfeld e seus colegas, propõe-se que o grau de atividade neuronal seja uma apresentação da probabilidade de o animal estar no centro do local de interesse no próximo momento. Se já estiver no centro, a probabilidade de que ela esteja lá no momento seguinte é bastante alta; portanto, a atividade das células também é alta. Se ele foi tão longe do centro que não pode voltar para lá no momento seguinte, os neurônios do local estão inativos.

As teorias de O'Keefe e Stachenfeld podem parecer semelhantes, e ambas parecem explicar as propriedades básicas da atividade dos neurônios de um lugar. No entanto, eles fazem suposições diferentes sobre a natureza do mapa espacial no hipocampo, e apenas experimentos e testes engenhosos em modelos computacionais ajudarão a separar um do outro. Stachenfeld, Botvinnik e Gershman conseguiram isso re-analisando dados de trabalhos publicados anteriormente e descobrindo que alguns deles podem explicar o modelo de trabalho do hipocampo, mas não os modelos tradicionais. O mais impressionante desses exemplos são os dados de um estudo realizado por Ellis Alverne e seus colegas de Marselha, França. [ 8 ] Esses pesquisadores usaram o “Tolman Branches Maze”, no qual o rato precisava percorrer o único caminho do começo ao fim. Em algumas situações, o caminho foi fechado, forçando o animal a contornar o obstáculo ao longo de um dos dois corredores em forma de C.

De acordo com a interpretação da atividade neuronal de acordo com O'Keefe, com seu mapa cognitivo, um neurônio ativo quando o rato estava na bifurcação entre o caminho direto e o desvio deveria ser ativado igualmente, independentemente de esse caminho estar bloqueado ou não. Mas no experimento uma imagem diferente foi observada. Essa célula se comportou de maneira diferente, dependendo da presença de um caminho bloqueado. O grau de atividade de um neurônio foi influenciado pela experiência anterior em ratos. Um cartão absoluto não deve funcionar assim. Além disso, Stachenfeld e colegas realizaram simulações em computador para mostrar que a atividade dos neurônios do local que Alvernet e colegas observaram em sua experiência coincidiu com a hipótese de mapa preditivo é muito melhor do que a hipótese do mapa cognitivo de O'Keeffe.

O argumento de Stachenfeld contra a interpretação de O'Keefe-Nadel era que os neurônios de localização não codificam uma posição absoluta, mas apenas uma localização relativa à história de movimentos, experiências e preferências comportamentais. Poucos meses depois, outro conjunto de estudos mostrou que a localização de outros animais da mesma espécie também afeta a atividade dos neurônios do site. [ 9, 10, 11 ] Nos trabalhos publicados este ano, Necam Ulanowski, do Instituto Weismann, em Israel, e Shigeioshi Fujisawa, do RIKEN Brain Research Institute, no Japão, treinaram animais para se movimentarem em uma determinada área, mostrando-lhes corridas que executavam outros indivíduos de sua espécie . Ao mesmo tempo, Ulanovsky usava morcegos e Fujisawa usava ratos. Quando os animais seguiram o caminho prescrito, seus neurônios foram ativados. Mas foi uma surpresa que um subconjunto desses neurônios do site também tenha sido ativado quando os animais assistiram às corridas de outros indivíduos. Os pesquisadores chamaram esses neurônios de "neurônios de lugar social".

Os resultados divergem novamente da interpretação inicial da ativação dos neurônios do local, vinculando-os à localização absoluta no espaço. A representação de um lugar no hipocampo não é apenas diferente do absoluto - parece que a observação de outras pessoas pode influenciá-lo.

A atividade dos neurônios do local era muito mais complexa do que se pensava anteriormente. A visão clássica do papel dos contornos do hipocampo na navegação espacial, concedida ao Prêmio Nobel, não era uma descrição completa do que está acontecendo, e o hipocampo desempenha muito mais funções do que uma simples representação invariável da localização do sujeito no espaço.

A idéia da previsibilidade dos neurônios do lugar e o impacto sobre eles da aprendizagem e do comportamento de outros animais podem facilitar a construção de um conceito que descreva o papel do hipocampo na orientação espacial e o papel geralmente aceito na aprendizagem e na formação da memória. Desde a descoberta de que a remoção do hipocampo pode levar à incapacidade de formar novas memórias, ela tem sido estudada como uma das regiões mais importantes do cérebro responsáveis ​​pela memória. [ 12 ] E, embora se soubesse desde os primeiros experimentos de O'Keefe e Dostrovsky que o hipocampo desempenha um papel importante na navegação espacial, como e por que esse pequeno pedaço do cérebro é capaz de armazenar mapas espaciais e memórias complexas permaneceu pouco compreendido. . A compreensão emergente da relatividade de nossos mapas espaciais e o efeito da memória e do comportamento neles facilita a compreensão da dupla função do hipocampo. Cinqüenta anos após as primeiras observações de O'Keefe e Dostrovsky, começamos a entender mais claramente como essa área essencial do cérebro forma nossas personalidades.