Como humanos, vivemos em nossos pensamentos: desde ponderar o que fazer para o jantar até sonhar acordado com nossas últimas férias na praia. Agora, pesquisadores do Janelia Research Campus do HHMI descobriram que os animais também possuem imaginação.

Uma equipe dos laboratórios Lee e Harris desenvolveu um novo sistema que combina realidade virtual e uma interface cérebro-máquina para investigar os pensamentos íntimos de um rato.

Eles descobriram que, tal como os humanos, os animais podem pensar em lugares e objetos que não estão bem à sua frente, usando os seus pensamentos para imaginar caminhar até um local ou mover um objeto remoto para um local específico.

Tal como os humanos, quando os roedores vivenciam locais e eventos, padrões específicos de atividade neural são ativados no hipocampo, uma área do cérebro responsável pela memória espacial. O novo estudo descobriu que os ratos podem gerar voluntariamente esses mesmos padrões de atividade e fazê-lo para recordar locais remotos distantes da sua posição atual.

“O rato pode de fato ativar a representação de lugares no ambiente sem ir até lá”, diz Chongxi Lai, pós-doutorado nos Laboratórios Harris e Lee e primeiro autor de um artigo que descreve as novas descobertas. “Mesmo que seu corpo físico esteja fixo, seus pensamentos espaciais podem ir para um local muito remoto.”

Esta capacidade de imaginar locais distantes da posição atual é fundamental para lembrar eventos passados e imaginar possíveis cenários futuros. Portanto, o novo trabalho mostra que os animais, assim como os humanos, possuem uma forma de imaginação, segundo os autores do estudo.

"Imaginar é uma das coisas notáveis que os humanos podem fazer. Agora descobrimos que os animais também podem fazer isso e descobrimos uma maneira de estudá-lo", diz Albert Lee, ex-líder de grupo na Janelia e agora investigador do HHMI. no Centro Médico Beth Israel Deaconess.

O projeto começou há nove anos, quando Lai chegou a Janelia como estudante de pós-graduação com a ideia de testar se um animal conseguia pensar. Seu orientador, Janelia Senior Fellow, Tim Harris, sugeriu que Lai caminhasse pelo corredor para conversar com Lee, cujo laboratório tinha perguntas semelhantes.

Juntos, os laboratórios trabalharam para desenvolver um sistema para entender o que os animais estão pensando – um “detector de pensamentos” em tempo real que poderia medir a atividade neural e traduzir o que ela significava.

O sistema usa uma interface cérebro-máquina (IMC), que fornece uma conexão direta entre a atividade cerebral e um dispositivo externo. No sistema da equipe, o IMC produz uma conexão entre a atividade elétrica no hipocampo do rato e sua posição em uma arena de realidade virtual de 360 graus.

O hipocampo armazena mapas mentais do mundo envolvidos na recordação de eventos passados e na imaginação de cenários futuros. A recuperação da memória envolve a geração de padrões específicos de atividade do hipocampo relacionados a lugares e eventos. Mas ninguém sabia se os animais poderiam controlar voluntariamente esta atividade.

O IMC permite aos pesquisadores testar se um rato pode ativar a atividade do hipocampo apenas para pensar em um local na arena sem ir fisicamente até lá – essencialmente, detectando se o animal é capaz de imaginar ir até o local.

Em seguida, os pesquisadores desconectaram a esteira e recompensaram o rato por reproduzir o padrão de atividade do hipocampo associado ao local do objetivo. Nesta tarefa "Jumper" - que leva o nome de um filme de 2008 com o mesmo nome - o IMC traduz a atividade cerebral do animal em movimento na tela de realidade virtual. Essencialmente, o animal usa seus pensamentos para navegar até a recompensa, pensando primeiro onde precisa ir para obtê-la. Crédito: Chongxi Lai

Depois de desenvolverem o sistema, os pesquisadores tiveram que criar o “dicionário de pensamentos” que lhes permitiria decodificar os sinais cerebrais do rato. Este dicionário compila como são os padrões de atividade quando o rato experimenta algo – neste caso, lugares na arena de RV.

O rato é aproveitado no sistema VR, projetado por Shinsuke Tanaka, pós-doutorado no Lee Lab. À medida que o rato caminha em uma esteira esférica, seus movimentos são traduzidos na tela de 360 ??graus. O rato é recompensado quando navega até seu objetivo.

Ao mesmo tempo, o sistema de IMC registra a atividade do hipocampo do rato. Os pesquisadores podem ver quais neurônios são ativados quando o rato navega pela arena para atingir cada objetivo. Esses sinais fornecem a base para um IMC do hipocampo em tempo real, com a atividade hipocampal do cérebro traduzida em ações na tela.

Em seguida, os pesquisadores desconectaram a esteira e recompensaram o rato por reproduzir o padrão de atividade do hipocampo associado a um local-alvo. Nesta tarefa "Jumper" - que leva o nome de um filme de 2008 com o mesmo nome - o IMC traduz a atividade cerebral do animal em movimento na tela de realidade virtual.

Essencialmente, o animal usa seus pensamentos para navegar até a recompensa, pensando primeiro onde precisa ir para obtê-la. Esse processo de pensamento é algo que os humanos vivenciam regularmente. Por exemplo, quando somos solicitados a comprar mantimentos em uma loja conhecida, podemos imaginar os locais pelos quais passaremos no caminho antes de sairmos de casa.

Na segunda tarefa, a tarefa “Jedi” – uma homenagem a Star Wars – o rato move um objeto para um local apenas por meio de pensamentos. O rato está fixo em um lugar virtual, mas “move” um objeto para um objetivo no espaço VR, controlando sua atividade hipocampal, da mesma forma que uma pessoa sentada em seu escritório pode imaginar pegar uma xícara ao lado da máquina de café e enchê-la com café. . Os pesquisadores então mudaram a localização do objetivo, exigindo que o animal produzisse padrões de atividade associados ao novo local.

A equipe descobriu que os ratos podem controlar com precisão e flexibilidade a atividade do hipocampo, da mesma forma que os humanos provavelmente fazem. Os animais também são capazes de sustentar esta atividade do hipocampo, mantendo os pensamentos num determinado local durante muitos segundos – um período de tempo semelhante àquele em que os humanos revivem acontecimentos passados ou imaginam novos cenários.

“O que é impressionante é como os ratos aprendem a pensar naquele lugar, e em nenhum outro lugar, durante um longo período de tempo, com base na nossa noção, talvez ingênua, da capacidade de atenção de um rato”, diz Harris.

A pesquisa também mostra que o IMC pode ser usado para sondar a atividade do hipocampo, fornecendo um novo sistema para estudar esta importante região do cérebro. Como o IMC é cada vez mais utilizado em próteses, este novo trabalho também abre a possibilidade de projetar novos dispositivos protéticos baseados nos mesmos princípios, segundo os autores.

O estudo é publicado na revista Science .