Estudo sugere como o cérebro, com o sono, aprende mapas significativos de espaços
Sabe-se que as células de lugar codificam localizações individuais, mas pesquisas descobriram que costurar um “mapa cognitivo” de um ambiente inteiro requer um conjunto mais amplo de células...
Pesquisadores buscaram discernir como um mapa cognitivo de um labirinto em forma de T lateral se fundiu nas mentes de camundongos. Um painel editado de uma figura no estudo mostra como as representações neurais do mapa cognitivo evoluíram ao longo de cinco sessões. Cada ponto é um ponto no tempo e cada cor corresponde a uma localização no labirinto real (veja T's menores). Com o tempo, o mapa cognitivo se assemelha melhor à geometria real do labirinto. Créditos: Imagem: Wei Guo/Wilson Lab
No primeiro dia de suas férias em uma nova cidade, suas explorações o expõem a inúmeros lugares individuais. Embora as memórias desses lugares (como um lindo jardim em uma rua lateral tranquila) pareçam imediatamente indeléveis, pode levar dias até que você tenha intuição suficiente sobre o bairro para direcionar um turista mais novo para o mesmo local e, então, talvez para o café que você descobriu nas proximidades. Um novo estudo com ratos por neurocientistas do MIT no The Picower Insitute for Learning and Memory fornece novas evidências de como o cérebro forma mapas cognitivos coesos de espaços inteiros e destaca a importância crítica do sono para o processo.
Cientistas sabem há décadas que o cérebro dedica neurônios em uma região chamada hipocampo para lembrar locais específicos. As chamadas “células de lugar” são ativadas de forma confiável quando um animal está no local que o neurônio está sintonizado para lembrar. Mas mais útil do que ter marcadores de espaços específicos é ter um modelo mental de como todos eles se relacionam em uma geografia geral contínua. Embora esses “mapas cognitivos” tenham sido formalmente teorizados em 1948, os neurocientistas permaneceram inseguros sobre como o cérebro os constrói. O novo estudo na edição de dezembro do Cell Reports descobre que a capacidade pode depender de mudanças sutis, mas significativas, ao longo dos dias na atividade de células que são apenas fracamente sintonizadas com locais individuais, mas que aumentam a robustez e o refinamento da codificação do hipocampo de todo o espaço. Com o sono, as análises do estudo indicam que essas células “fracamente espaciais” enriquecem cada vez mais a atividade da rede neural no hipocampo para conectar esses lugares em um mapa cognitivo.
“No Dia 1, o cérebro não representa o espaço muito bem”, diz o autor principal Wei Guo, um cientista pesquisador no laboratório do autor sênior Matthew Wilson , o Professor Sherman Fairchild no Instituto Picower e nos departamentos de Biologia e Ciências Cognitivas e do Cérebro do MIT. “Os neurônios representam localizações individuais, mas juntos eles não formam um mapa. Mas no Dia 5 eles formam um mapa. Se você quer um mapa, você precisa que todos esses neurônios trabalhem juntos em um conjunto coordenado.”
Ratos mapeando labirintos
Para conduzir o estudo, Guo e Wilson, junto com os colegas de laboratório Jie “Jack” Zhang e Jonathan Newman, apresentaram aos ratos labirintos simples de formatos variados e os deixaram explorá-los livremente por cerca de 30 minutos por dia durante vários dias. É importante ressaltar que os ratos não foram direcionados a aprender nada específico por meio da oferta de recompensas. Eles apenas vagaram. Estudos anteriores mostraram que os ratos demonstram naturalmente “aprendizado latente” de espaços a partir desse tipo de experiência não recompensada após vários dias.
Para entender como o aprendizado latente se estabelece, Guo e seus colegas monitoraram visualmente centenas de neurônios na área CA1 do hipocampo, projetando células para piscar quando um acúmulo de íons de cálcio as tornava eletricamente ativas. Eles não apenas registraram os flashes dos neurônios quando os camundongos estavam explorando ativamente, mas também enquanto dormiam. O laboratório de Wilson mostrou que os animais “ repetem ” suas jornadas anteriores durante o sono, essencialmente refinando suas memórias sonhando com suas experiências.
A análise das gravações mostrou que a atividade das células de lugar se desenvolveu imediatamente e permaneceu forte e inalterada ao longo de vários dias de exploração. Mas essa atividade por si só não explicaria como o aprendizado latente ou um mapa cognitivo evoluem ao longo de vários dias. Então, diferente de muitos outros estudos em que os cientistas se concentram apenas na atividade forte e clara das células de lugar, Guo estendeu sua análise para a atividade mais sutil e misteriosa de células que não eram tão fortemente sintonizadas espacialmente.
Usando uma técnica emergente chamada “aprendizado múltiplo”, ele foi capaz de discernir que muitas das células “fracamente espaciais” gradualmente correlacionavam sua atividade não com localizações, mas com padrões de atividade entre outros neurônios na rede. Enquanto isso acontecia, as análises de Guo mostraram que a rede codificava um mapa cognitivo do labirinto que cada vez mais se assemelhava ao espaço físico literal.
“Embora não respondam a localizações específicas como células fortemente espaciais, células fracamente espaciais se especializam em responder a ''localizações mentais'', ou seja, padrões específicos de disparo de conjuntos de outras células”, escreveram os autores do estudo. “Se o campo mental de uma célula fracamente espacial abrange dois subconjuntos de células fortemente espaciais que codificam localizações distintas, essa célula fracamente espacial pode servir como uma ponte entre essas localizações.”
Em outras palavras, a atividade das células fracamente espaciais provavelmente costura os locais individuais representados pelas células de lugar em um mapa mental.
A necessidade de dormir
Estudos do laboratório de Wilson e muitos outros mostraram que as memórias são consolidadas, refinadas e processadas pela atividade neural, como a repetição, que ocorre durante o sono e o descanso. A equipe de Guo e Wilson, portanto, procurou testar se o sono era necessário para a contribuição de células fracamente espaciais para o aprendizado latente de mapas cognitivos.
Para fazer isso, eles deixaram alguns ratos explorarem um novo labirinto duas vezes durante o mesmo dia, com uma sesta de três horas entre eles. Alguns ratos puderam dormir, mas outros não. Os que dormiram mostraram um refinamento significativo de seu mapa mental, mas os que não puderam dormir não mostraram tal melhora. Não apenas a codificação de rede do mapa melhorou, mas também as medidas de sintonia de células individuais durante mostraram que o sono ajudou as células a se tornarem mais sintonizadas tanto com os lugares quanto com os padrões de atividade da rede, os chamados "lugares mentais" ou "campos".
Significado do mapa mental
Os “mapas cognitivos” que os ratos codificaram ao longo de vários dias não eram mapas literais e precisos dos labirintos, observa Guo. Em vez disso, eram mais como esquemas. Seu valor é que eles fornecem ao cérebro uma topologia que pode ser explorada mentalmente, sem precisar estar no espaço físico. Por exemplo, depois de formar seu mapa cognitivo da vizinhança ao redor do seu hotel, você pode planejar a excursão da manhã seguinte (por exemplo, você pode imaginar pegar um croissant na padaria que observou a alguns quarteirões a oeste e então imaginar comê-lo em um daqueles bancos que você notou no parque ao longo do rio).
De fato, Wilson levantou a hipótese de que a atividade das células fracamente espaciais pode estar sobrepondo informações não espaciais salientes que trazem significado adicional aos mapas (ou seja, a ideia de uma padaria não é espacial, mesmo que esteja intimamente ligada a um local específico). O estudo, no entanto, não incluiu marcos dentro dos labirintos e não testou nenhum comportamento específico entre os camundongos. Mas agora que o estudo identificou que as células fracamente espaciais contribuem significativamente para o mapeamento, Wilson disse que estudos futuros podem investigar que tipo de informação elas podem estar incorporando ao senso dos animais sobre seus ambientes. Parece que consideramos intuitivamente os espaços que habitamos como mais do que apenas conjuntos de locais discretos.
“Neste estudo, focamos em animais se comportando naturalmente e demonstramos que durante o comportamento exploratório livre e o sono subsequente, na ausência de reforço, mudanças plásticas neurais substanciais no nível do conjunto ainda ocorrem”, concluíram os autores. “Essa forma de aprendizado implícito e não supervisionado constitui uma faceta crucial do aprendizado e da inteligência humana, garantindo investigações mais aprofundadas.”
A Freedom Together Foundation, o Picower Institute e os National Institutes of Health financiaram o estudo.