top of page

Investigação científica em Portugal acerca da percepção do tempo


Imagem gerada por AI
Imagem gerada por AI

Uma equipa de investigadores do Champalimaud Research Learning Lab, constituída por Tiago Monteiro, Filipe S. Rodrigues, Margarida Pexirra, Bruno F. Cruz, Ana I. Gonçalves, Pavel E. Rueda-Orozco e, Joseph J. Paton, publicou recentemente um artigo na revista Nature Neuroscience, no qual descrevem como abrandaram ou aceleraram artificialmente padrões de actividade neuronal em ratos alterando o seu julgamento da passagem do tempo e apresentando a evidência causal mais persuasiva disponível até o momento sobre o funcionamento do cérebro nesse aspecto. O artigo está intitulado: Using temperature to analyze the neural basis of a time-based decision (Utilização da temperatura para analisar a base neuronal de uma decisão baseada no tempo).


Joseph Paton e os seus colegas treinaram um grupo de ratos para distinguir entre diferentes intervalos de tempo. Durante as suas investigações, observaram que a atividade no corpo estriado (striatum), uma região profunda do cérebro, apresentava padrões previsíveis que variavam a diferentes ritmos.



Para testar esta ferramenta em ratos, os investigadores desenvolveram um dispositivo termoelétrico personalizado que lhes permite aquecer ou arrefecer localmente o striatum enquanto registam a atividade neuronal. Nestas experiências, os ratos estavam anestesiados, pelo que os investigadores utilizaram a optogenética - uma técnica que utiliza a luz para estimular células específicas - para criar ondas de atividade no corpo estriado.


Os animais foram treinados para indicar se o intervalo entre dois tons era mais longo ou mais curto do que 1,5 segundos.


Quando o striatum era arrefecido, os animais tinham mais probabilidades de interpretar um determinado intervalo como curto. Por outro lado, quando o striatum era aquecido, era mais provável que indicassem que o intervalo era longo.

O aquecimento do striatum acelerou a dinâmica populacional dessa região cerebral, assemelhando-se à aceleração do movimento dos ponteiros de um relógio, o que fez com que os ratos julgassem um determinado intervalo de tempo como mais longo do que era na realidade.

As descobertas da equipa indicam que o striatum desempenha um papel fundamental para determinar o que e quando fazer. No entanto, o controlo do movimento está relacionado com outras estruturas cerebrais.


Ao fornecer novos conhecimentos sobre a relação causal entre a atividade neuronal e a função de sincronização, as descobertas da equipa representam um avanço significativo no desenvolvimento de novos alvos terapêuticos para doenças debilitantes como a doença de Parkinson ou a doença de Huntington, que apresentam sintomas relacionados com o tempo e o striatum. Esta nova informação pode potencialmente abrir caminho a intervenções mais eficazes e orientadas para o tratamento destas doenças neurológicas complexas, melhorando assim a qualidade de vida dos pacientes afectados por elas.



O RELÓGIO POPULACIONAL


Imagem gerada por AI
Imagem gerada por AI

Esta é uma teoria referida neste artigo, do campo da neurobiologia, que sugere que o cérebro humano não possui um único relógio centralizado para processar o tempo, mas sim múltiplos "relógios" distribuídos em diferentes redes neuronais. De acordo com esta hipótese, estão envolvidos no processamento do tempo diferentes grupos de neurónios em várias regiões do cérebro. Estes grupos neuronais formariam um "relógio populacional", que se baseia em padrões de atividade neuronal para calcular e representar a passagem do tempo de uma forma descentralizada e flexível.


Esta abordagem é diferente do conceito de "relógio centralizado", como o utilizado nos computadores, em que uma única fonte controla a marcação do tempo. No cérebro, a percepção do tempo parece emergir da interação complexa entre várias áreas cerebrais e das suas actividades neuronais coordenadas.


A hipótese do "relógio populacional" continua a ser objeto de estudo e investigação em neurobiologia, e a sua compreensão pode contribuir para um melhor entendimento da forma como os seres humanos percebem e processam o tempo.





 

O ARTIGO


O artigo completo pode ser consultado nesta ligação. Contudo aqui fica a tradução da introdução e de parte da conclusão, para os leitores mais ávidos de conhecimento.



RESUMO


"Pensa-se que os gânglios basais contribuem para a tomada de decisões e controlo motor. Estas funções dependem criticamente da informação temporal, que pode ser extraída do estado evolutivo das populações neuronais na sua principal estrutura de entrada, o striatum. No entanto, discute-se se a atividade estriatal está subjacente a processos de decisão latentes e dinâmicos ou à cinemática do movimento explícito. Aqui, medimos o impacto da temperatura na atividade da população estriatal e no comportamento dos ratos e os efeitos observados foram comparados com a atividade neuronal e o comportamento recolhidos em várias versões de uma tarefa de categorização temporal. O arrefecimento causou a dilatação e o aquecimento a contracção da atividade neuronal e dos padrões de julgamento no tempo, imitando a variabilidade endógena relacionada com a decisão na atividade estriatal. No entanto, a temperatura não afectou de forma semelhante a cinemática do movimento. Estes dados fornecem provas convincentes de que o curso temporal da atividade estriatal em evolução dita a velocidade de um processo latente que é utilizado para orientar as escolhas, mas não o controlo motor contínuo. Em termos mais gerais, estabelecem a escala temporal da atividade da população como uma base neuronal provável para a variabilidade do comportamento temporal."



INTRODUÇÃO


"(...) Grande parte do comportamento depende do tempo. Os seres humanos e outros animais têm de extrair a estrutura temporal do ambiente para aprenderem a antecipar acontecimentos, a compreender as relações entre acções e consequências e a estimar o tempo, implícita ou explicitamente, para planear e sequenciar e coordenar adequadamente as acções. Para tarefas tão variadas como esperar num semáforo ou um beija-flor à procura de néctar, o tempo é fundamental. Os mecanismos de temporização parecem estar distribuídos por todo o sistema nervoso, reflectindo a importância da informação temporal para grande parte das funções cerebrais. No entanto, um requisito comum a diversas funções é a necessidade de criar um índice, ordenando e espaçando a informação ao longo da dimensão temporal, de modo a que se possam extrair relações úteis e coordenar adequadamente os resultados. Na escala de segundos e minutos em que grande parte do comportamento se desenrola, a dinâmica da população neuronal representa um meio candidato tanto para codificar como para gerar padrões temporais. Os modelos de redes neuronais artificiais têm explorado a evolução da atividade da população como base para cronometrar eventos sensoriais e movimentos, e as correlações entre o comportamento e o curso temporal da atividade da população têm dado algum apoio à hipótese de que os padrões de atividade variáveis no tempo dentro de uma população realizam cálculos temporais. No entanto, as correlações não implicam causalidade. A previsão crítica destas hipóteses de "relógio populacional" é que as intervenções capazes de abrandar ou acelerar a evolução temporal da atividade devem causar uma dilatação ou contração correspondente das funções temporais realizadas com essa atividade. Um sistema cerebral em que a informação temporal parece ser crítica é o dos gânglios basais (GB), um conjunto evolutivamente antigo de estruturas cerebrais que se pensa contribuírem para a seleção de acções apropriadas com base na experiência. Um ponto de vista dominante sustenta que a BG incorpora características essenciais dos algoritmos de aprendizagem por reforço (RL). Nos mamíferos, as entradas provenientes de um conjunto diversificado de territórios do córtex, do tálamo e das estruturas límbicas do cérebro transmitem informações sobre o estado do mundo que convergem para a densa inervação dopaminérgica na principal área de entrada do GB, o striatum. Pensa-se que a entrada dos neurónios dopaminérgicos ensina aos circuitos estriatais o valor de tomar determinadas acções num determinado estado, informação que pode ser transmitida aos circuitos motores do tronco cerebral e talamocorticais a jusante, para influenciar a seleção ou especificar as características das acções. Para realizar tal função, o GB necessitaria de ter acesso a informação sobre a ordenação e o espaçamento ao longo da dimensão temporal, implícita ou explicitamente, tanto para extrair relações significativas entre o ambiente, as acções e os resultados que conduzem à aprendizagem, como para coordenar a produção de acções no tempo. Curiosamente, dados de pessoas com perturbações do sistema nervoso central e imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) identificaram consistentemente o sistema nervoso central como estando envolvido no comportamento temporal. Além disso, as lesões e as manipulações farmacológicas do estriado podem causar défices na estimativa e reprodução temporais. Por último, os registos de populações estriatais demonstraram que a informação temporal pode ser descodificada a partir da atividade neural e que esta informação está correlacionada com a variabilidade do comportamento temporal. Especificamente, o estado da atividade da população estriatal muda continuamente ao longo de trajectórias reprodutíveis durante tarefas comportamentais que requerem a estimativa do tempo, avançando mais rapidamente quando os animais relatam julgamentos longos, e mais lentamente quando relatam julgamentos curtos. Para testar se a variabilidade na velocidade da dinâmica da população de BG está meramente correlacionada com, ou regula diretamente, a função de cronometragem, procurámos manipular experimentalmente a dinâmica à medida que os animais relatavam julgamentos temporais. Curiosamente, apesar de serem compostos por elementos com diferentes dependências de temperatura (por exemplo, condutâncias de canais iónicos e transmissão sináptica), os circuitos neurais em pelo menos alguns sistemas podem produzir padrões de atividade que sistematicamente abrandam ou aceleram com a diminuição ou aumento da temperatura. Por esta razão, as manipulações da temperatura oferecem um método potencial para testar hipóteses relativas à relação entre a velocidade da dinâmica neural e a função. De facto, as manipulações da temperatura no tentilhão-zebra foram utilizadas para identificar a área HVC (nome próprio) como um locus no circuito de produção do canto que contribui para o padrão temporal do canto das aves. Manipulações de temperatura semelhantes identificaram uma sub-região do córtex motor humano que regula a velocidade da fala e uma região do córtex frontal medial de roedores que controla o tempo de um movimento retardado. No entanto, a temperatura pode ter efeitos distintos na atividade neural, dependendo das características celulares e dos circuitos da área em questão.

Aqui, utilizámos um dispositivo termoelétrico personalizado (TED) para variar sistematicamente a temperatura do tecido estriado, tanto aquecendo como arrefecendo em relação a uma condição de base. Verificámos que a temperatura afectava os níveis globais de atividade de forma não monótona, com o aquecimento e o arrefecimento em relação a uma temperatura de controlo a produzirem taxas de disparo globais mais baixas. Em contraste, as manipulações de temperatura causaram mudanças monotónicas e graduais na escala temporal da atividade neural, imitando a variabilidade relacionada com a decisão na atividade observada durante múltiplas versões de uma tarefa de julgamento temporal. As manipulações da temperatura também causaram alterações bidireccionais e graduais nos julgamentos temporais dos animais, reflectindo a modificação dependente da temperatura da escala temporal da atividade neural, bem como a relação observada entre a escala temporal da atividade e os julgamentos dos animais. O que é surpreendente é que estes resultados não foram acompanhados por efeitos semelhantes da temperatura na execução do movimento. Em vez disso, embora mais modestos do que os efeitos da temperatura nos julgamentos dos animais, o padrão de velocidade média dos movimentos dos animais era uma função não monotónica da temperatura, semelhante ao efeito não monotónico observado da temperatura na taxa de disparo da linha de base. Em conjunto, estes resultados implicam que aspectos distintos do comportamento podem ser controlados pela evolução temporal da atividade da população e pelos níveis globais de atividade. Estas distinções sugerem que os padrões de atividade em evolução contínua no estriado apoiam a colocação de transições comportamentais discretas no tempo, tal como é necessário para a seleção de acções e para a tomada de decisões, mas não fornecem sinais relacionados com comandos motores momento a momento, necessários para o controlo contínuo. Em vez de o GB fornecer sinais de controlo contínuo de alta dimensão, o nível global de atividade parece fornecer um sinal de ganho de baixa dimensão aplicado a programas motores executados noutros locais, o que é consistente com o papel dos circuitos do GB na modulação do vigor do movimento.



CONCLUSÃO

(...) Trabalhos anteriores demonstraram que a velocidade da atividade da população neural ao longo de trajectórias reprodutíveis no espaço neural pode correlacionar-se com a variabilidade no timing das acções e com as decisões dependentes do tempo. De facto, há cada vez mais provas de que isto pode representar um princípio geral para o processamento temporal no cérebro. Aqui fornecemos evidências causais adicionais para esse princípio, mostrando que manipulações experimentais de temperatura no striatum podem ser usadas para desacelerar ou acelerar tanto os padrões de atividade neural sob anestesia quanto a evolução temporal de variáveis de decisão latentes que os ratos usam para orientar o comportamento, especificamente seus julgamentos categóricos de duração. Estes resultados parecem refletir um impacto direto da temperatura nos processos relacionados com a decisão (ou com a seleção da ação) e não nos processos relacionados com a execução do movimento momento a momento (ou com o controlo contínuo), porque os efeitos da temperatura nos juízos de tempo e na cinemática do movimento eram qualitativamente distintos. Há muito que se sabe, em domínios tão diversos como a neurociência, a robótica e a inteligência artificial, que o controlo do movimento é provavelmente facilitado por uma hierarquia de mecanismos de controlo. Mesmo os sistemas nervosos relativamente simples têm de alternar entre geradores de padrões motores distintos, bem como controlar continuamente a sua produção. A observação de que uma intervenção capaz de modular a velocidade da população estriatal tem um impacto diferencial na evolução das variáveis de decisão e nas variáveis necessárias para o controlo contínuo do movimento é consistente com a proposta de que o GB actua como um controlador de nível intermédio, importante para selecionar entre, ligar ou modular diferentes acções, mas fornece provas contra a emissão de comandos momento a momento necessários para a execução do movimento. Uma ressalva a esta interpretação é que quaisquer movimentos potenciais ocorridos durante o período de intervalo, quando os julgamentos dos animais estavam presumivelmente a formar-se, estavam abaixo do nosso limiar de deteção. Assim, analisámos a cinemática dos movimentos de escolha, que ocorreram necessariamente após a conclusão do julgamento temporal. É assim possível que a temperatura tenha produzido efeitos semelhantes nos julgamentos e na cinemática de movimentos putativos não detectados durante o processo de decisão, e que os seus efeitos na cinemática do movimento tenham mudado qualitativamente quando se tratou de executar movimentos de escolha algumas centenas de milissegundos mais tarde. Consideramos esta possibilidade menos provável por razões de paridade e devido a dados existentes que parecem inconsistentes com o facto de o GB fornecer informações cinemáticas detalhadas momento a momento para utilização no controlo comportamental. Por exemplo, foi demonstrado que as lesões do estriado dorsal perturbam a sequência de motivos comportamentais, sem afetar a sua execução. Mesmo os dados que demonstram que as lesões estriatais podem afetar a cinemática detalhada de movimentos estereotipados aprendidos podem ser conciliados com um papel mais específico do GB no controlo discreto, uma vez que os movimentos aprendidos parecem envolver a concatenação de elementos motores, ou sequenciação, o que implica que as transições discretas devem ser colocadas de forma adequada no curso temporal global do comportamento. As observações de que a informação cinemática pode ser descodificada a partir do striatum durante tarefas que envolvem timing são também consistentes com este ponto de vista, porque os circuitos BG beneficiariam provavelmente do acesso a informação contínua sobre o estado dos comandos que são enviados para os sistemas efectores para orientar quando produzir determinadas acções, embora não sejam responsáveis pelo envio de sinais de controlo cinemático detalhados para os circuitos a jusante. Os nossos resultados são reminiscentes da observação de que o arrefecimento de uma região orofacial do córtex motor em ratos cantores abranda certos aspectos do tempo da canção, deixando inalterada a duração das notas individuais. Curiosamente, a inibição tónica da via de alimentação direta do https://doi.org/10.1038/s41593-023-01378-5. O interessante é que a inibição tónica da via de alimentação direta do GB no seu ponto de iniciação no striatum pode produzir um abrandamento do movimento, o que sugere que a influência do GB nos parâmetros de controlo relacionados com o vigor pode não ser feita através de dinâmicas no espaço de maior dimensão dos disparos da população, mas sim através de uma modulação de baixa dimensão, do tipo ganho, de programas motores que são implementados em grande parte por circuitos noutros locais. Em consonância com isto, descobrimos que a variabilidade endógena na taxa de disparo de base dos neurónios do estriado se relacionava com os tempos de reação e que o efeito não monotónico da temperatura do estriado sobre esta caraterística se assemelhava a um padrão no comportamento dos ratos, em que tanto as temperaturas mais quentes como as mais frias produziam movimentos de escolha mais lentos e atrasados. Durante o comportamento, os animais interagem continuamente com o ambiente, e esta interação conduz a quantidades substanciais de atividade neural em muitas áreas cerebrais. A identificação de características da atividade neural subjacentes a processos latentes, tais como aspectos da cognição, face a uma atividade neural orientada pelo comportamento, é um problema difícil que requer múltiplas abordagens. Uma abordagem envolve o estudo da atividade neural em tarefas comportamentais que variam ao longo de dimensões que são ortogonais ao processo de interesse. Por exemplo, os sinais relacionados com uma decisão e não com o seu relato devem ser invariantes às condições de movimento da tarefa. No presente estudo, verificámos que a variabilidade na velocidade das respostas da população estriatal se correlacionava com os julgamentos temporais dos sujeitos em duas variantes da tarefa que diferiam no grau em que os sujeitos eram livres de se movimentar durante a apresentação do estímulo. Esta consistência argumenta contra um cenário em que o movimento é o principal fator da correlação entre a variabilidade neural e o julgamento temporal. A priori, é impossível determinar se tais correlações reflectem uma relação causal entre essa atividade neural e o comportamento, uma fonte não observada de atividade neural noutro local que causa diretamente tanto a atividade neural estriatal como o comportamento, ou potencialmente o comportamento que causa a atividade neural estriatal através de input sensorial reentrante. A análise anterior de vídeo de alta velocidade durante a versão sem fixação da tarefa de julgamento temporal que estudamos aqui demonstrou que a informação relacionada com a decisão aparecia na atividade estriatal várias centenas de milissegundos antes de aparecer no comportamento exterior, argumentando contra os sinais de decisão serem conduzidos apenas pelas consequências sensoriais do comportamento. No entanto, a existência de possibilidades tão variadas sublinha a necessidade das chamadas intervenções causais para ajudar a determinar se a atividade neural é uma causa, um corolário ou uma consequência do comportamento. Aqui, para examinar o impacto de uma intervenção de temperatura na dinâmica da população, estudámos a dinâmica provocada pela ativação optogenética do tálamo VB sob anestesia, e não os padrões endógenos de atividade observados durante o comportamento. Esta abordagem tem a desvantagem de não permitir 1) a avaliação simultânea do impacto da temperatura na atividade neural e no comportamento, e 2) a atividade neural ser gerada através de mecanismos de circuito que são distintos dos que estão em jogo durante o comportamento. No entanto, também possui vantagens. Especificamente, as fontes comportamentais de variabilidade neural são removidas por completo, permitindo uma avaliação muito mais direta dos efeitos da temperatura sobre as características da dinâmica da população neural que foram independentemente correlacionadas com julgamentos de tempo em vários conjuntos de experiências. Em termos de delinear a natureza das influências causais entre os vários factores potenciais em jogo, tecnicamente esta independência reforça a nossa confiança de que a cadeia causal vai da temperatura, à dinâmica da população, aos julgamentos temporais dos animais. Que mecanismos de circuito podem dar origem à atividade da população estriatal relevante para a tarefa aqui estudada? As opiniões anteriores sugeriam que os GB herdavam em grande parte os seus padrões de atividade das entradas, muitas vezes com a hipótese de terem origem no córtex. No entanto, se a atividade estriatal variável no tempo subjacente ao julgamento temporal fosse simplesmente herdada de outra área cerebral, seria de esperar que as manipulações da temperatura estriatal produzissem uma mudança mínima e não um redimensionamento significativo do comportamento. Tal como no circuito de controlo vocal das aves canoras, os nossos dados parecem assim ser inconsistentes com um mecanismo em que a dinâmica relevante é simplesmente herdada pela área cerebral visada por manipulações de temperatura, no nosso caso o DS. Em aves canoras, há evidências de que uma combinação de mecanismos de circuitos locais na área palial HVC e um circuito reentrante maior envolvendo a HVC e várias outras áreas cerebrais estão envolvidos na geração da atividade temporalmente padronizada subjacente ao timing do canto. Um cenário semelhante pode estar subjacente aos mecanismos de geração de atividade estriatal temporalmente padronizada envolvida em julgamentos temporais. Em primeiro lugar, embora a maior parte dos esforços de modelação de redes que utilizam a dinâmica neural para a computação se baseiem, pelo menos em parte, na excitação recorrente, trabalhos recentes sugerem que pode ser possível que um circuito semelhante ao estriado, em grande parte inibitório, produza dinâmicas espácio-temporais complexas com uma entrada excitatória sustentada. O estriado pode também representar uma fase de um circuito reentrante mais vasto que envolve vários sistemas cerebrais, em que o circuito mais vasto contribui para a geração de padrões dinâmicos de atividade que regem a evolução das variáveis de decisão. Nesta perspetiva, os atrasos ou avanços induzidos pelo arrefecimento ou aquecimento acumular-se-iam em cada ciclo através do circuito, resultando num redimensionamento temporal com a temperatura. Um circuito deste tipo poderia, em princípio, envolver o córtex, as estruturas do GB e o tálamo, ou áreas subcorticais como as estruturas do GB a jusante, o colículo superior e o tálamo. No entanto, os nossos dados sugerem que qualquer mecanismo de circuito reentrante que envolva o córtex não envolveu o córtex motor primário, uma vez que as manipulações de temperatura tiveram efeitos negligenciáveis no comportamento de escolha, consistente com estudos anteriores que demonstram que a manipulação do córtex motor não afecta o comportamento de peritos em tarefas de temporização motora. No entanto, foi demonstrado que as áreas corticais orbitofrontais e frontais mediais codificam a informação temporal durante as tarefas de cronometragem motora e de julgamento temporal, embora com menos precisão do que o striatum, e foi demonstrado que o arrefecimento das estruturas corticais frontais mediais atrasa os movimentos, o que indica potencialmente o envolvimento de estruturas corticais frontais. Além disso, a atividade dos neurónios dopaminérgicos do mesencéfalo está correlacionada com, e pode causar diretamente, alterações nos julgamentos temporais, sugerindo que a neuromodulação dopaminérgica pode também ajustar o curso temporal da atividade da rede através da sua ação nos circuitos estriatais. Foi proposto que os processos de cronometragem estão distribuídos no cérebro e que as redes de neurónios possuem implicitamente uma capacidade rica para atuar como mecanismos de cronometragem através dos padrões de atividade variáveis no tempo que tendem a produzir durante o comportamento, por vezes designados por "relógio da população". Apesar de os dados aqui apresentados apoiarem fortemente esta hipótese, em princípio, os tipos de cálculos efectuados por contas anteriores mais algorítmicas e de processamento de informação do tempo podem muito bem estar incorporados no tipo de atividade populacional que aqui descrevemos. Esta possibilidade reflecte-se numa crença crescente de que o cérebro realiza muitos dos seus cálculos através da dinâmica. As nossas percepções, pensamentos e acções são continuamente interligados e regulados no tempo, e a compreensão da base neural do processamento temporal tem sido defendida como um pré-requisito necessário para modelos gerais de cognição. No entanto, compreender como é que o cérebro ordena e espaça adequadamente a informação ao longo da dimensão temporal para codificar sinais que são funções do tempo tem sido um desafio permanente para a neurociência. Neste artigo, apresentamos provas convincentes de que o curso temporal da atividade em populações de neurónios do estriado influencia diretamente o curso temporal de um processo de cronometragem utilizado para orientar a tomada de decisões. Os dados não só implicam uma ligação causal entre a escala temporal de uma resposta populacional e uma base temporal para a computação no cérebro, como também argumentam que, na hierarquia do controlo comportamental, a dinâmica estriatal pode atuar numa interface entre a cognição e a função motora para ajudar a orientar se e quando produzir que acções, mas não para fornecer os comandos motores momento a momento, em evolução contínua, necessários para a execução do movimento. Compreender os mecanismos precisos do circuito responsáveis pelo estabelecimento e modulação da escala de tempo da atividade neural nestes circuitos, e quais os cálculos específicos que esta atividade serve, representam direcções futuras importantes para a compreensão de como o cérebro opera de forma flexível na informação internamente calculada para produzir um comportamento adaptativo e inteligente.







97 visualizações0 comentário

Posts recentes

Ver tudo
bottom of page