Como o cérebro mapeia memórias sem movimento

resumo: Os mapas mentais são ativados no cérebro ao pensar em sequências de experiências, mesmo sem movimento físico. Num estudo com animais, descobriram que o córtex entorrinal contém um mapa cognitivo de experiências, que é ativado durante a simulação mental.

Este é o primeiro estudo a mostrar a base celular da simulação mental no domínio não espacial. As descobertas podem melhorar nossa compreensão da função cerebral e da formação da memória.

Principais fatos:

1. Os mapas mentais são criados e ativados sem a necessidade de movimento físico.
2. O córtex entorrinal contém mapas cognitivos de experiências.
3. Este estudo fornece informações sobre a base celular da simulação mental.

fonte: Instituto de Tecnologia de Massachusetts

À medida que você percorre seu trajeto habitual para o trabalho ou para o supermercado, seu cérebro interage com mapas cognitivos armazenados no hipocampo e no córtex entorrinal. Esses mapas armazenam informações sobre as rotas que você percorreu e os locais que visitou antes, para que você possa navegar quando for até lá.

Uma nova pesquisa do MIT descobriu que esses mapas mentais também são criados e ativados quando se pensa apenas em sequências de experiências, na ausência de qualquer movimento físico ou estímulo sensorial.

Num estudo com animais, os investigadores descobriram que o córtex entorrinal contém um mapa cognitivo do que os animais experienciam enquanto usam um joystick para percorrer uma série de imagens. Esses mapas cognitivos são então ativados ao pensar nessas sequências, mesmo quando as imagens não são visíveis.

Este é o primeiro estudo a demonstrar a base celular da simulação mental e da imaginação em um domínio não espacial através da ativação do mapa cognitivo no córtex entorrinal.

“Esses mapas cognitivos são empregados para realizar a navegação mental, sem qualquer entrada sensorial ou saída motora. Somos capazes de ver a assinatura deste mapa”, diz Mehrdad Jazayeri, professor associado de ciências cerebrais e cognitivas, membro do Instituto McGovern de Pesquisa do MIT. Brain Research, e autor principal. Ela se manifesta à medida que o animal passa mentalmente por essas experiências.”

Sujaya Neupane, cientista pesquisadora do Instituto McGovern, é a autora principal do artigo, que será publicado em natureza. Ella Vitti, professora de ciências cerebrais e cognitivas do MIT, membro do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT e diretora do K. Lisa Yang, da Integrative Computational Neuroscience, também é autora do artigo.

Mapas mentais

Muitos trabalhos em modelos animais e humanos mostraram que as representações de localizações físicas são armazenadas no hipocampo, uma pequena estrutura em forma de cavalo-marinho, e no córtex entorrinal próximo. Essas representações são ativadas quando o animal se desloca por um espaço onde já esteve antes, imediatamente antes de atravessá-lo ou quando está dormindo.

“A maioria dos estudos anteriores centrou-se na forma como estas regiões refletem as estruturas e detalhes do ambiente à medida que o animal se move fisicamente através do espaço”, diz Jazayeri.

“Quando um animal se move por uma sala, suas experiências sensoriais são bem codificadas pela atividade dos neurônios do hipocampo e do córtex entorrinal.”

No novo estudo, Jazayeri e seus colegas queriam explorar se esses mapas cognitivos também são construídos e usados ​​durante processos puramente mentais ou na imaginação de movimentos em domínios não espaciais.

Para explorar essa possibilidade, os pesquisadores treinaram os animais para usar um joystick para traçar um caminho através de uma série de imagens (“pontos de referência”) espaçadas em intervalos regulares. Durante o treinamento, foi mostrado aos animais apenas um subconjunto dos pares de imagens, mas não todos os pares. Depois que os animais aprenderam a navegar pelos pares de treinamento, os pesquisadores testaram se os animais eram capazes de lidar com novos pares que nunca tinham visto antes.

Uma possibilidade é que os animais não aprendam o mapa cognitivo da sequência e, em vez disso, resolvam a tarefa utilizando uma estratégia de memorização. Se assim for, espera-se que tenham dificuldades com novos pares. Em vez disso, se os animais confiarem num mapa cognitivo, deverão ser capazes de generalizar o seu conhecimento para novos pares.

“Os resultados foram claros e inequívocos”, diz Jazayeri. “Os animais foram capazes de navegar mentalmente entre novos pares de imagens desde a primeira vez que foram testados. Esta descoberta forneceu fortes evidências comportamentais da existência de um mapa cognitivo.

Para responder a esta questão, os investigadores registaram neurónios individuais no córtex entorrinal enquanto os animais realizavam esta tarefa.

As respostas neurais tiveram uma característica marcante: quando os animais usaram um joystick para se mover entre dois pontos de referência, os neurônios mostraram picos distintos de atividade associados à representação mental dos pontos de referência sobrepostos.

“O cérebro experimenta esses picos de atividade no momento esperado, quando as imagens sobrepostas passam diante dos olhos do animal, o que nunca acontece”, diz Jazayeri.

“E o tempo entre esses solavancos, crucialmente, era exatamente o tempo que o animal esperava chegar, que neste caso foi de 0,65 segundos.”

Os investigadores também mostraram que a velocidade da simulação mental estava relacionada com o desempenho dos animais na tarefa: quando estavam ligeiramente atrasados ​​ou adiantados na conclusão da tarefa, a sua actividade cerebral mostrava uma mudança semelhante no tempo.

Os pesquisadores também encontraram evidências de que as representações mentais no córtex entorrinal não codificam características visuais específicas das imagens, mas sim o arranjo ordinal das características.

Modelo para aprendizagem

Para explorar ainda mais como funcionam esses mapas cognitivos, os pesquisadores construíram um modelo computacional para imitar a atividade cerebral que encontraram e mostrar como ela foi gerada.

Eles usaram um tipo de modelo conhecido como modelo de atração persistente, que foi originalmente desenvolvido para modelar como o córtex entorrinal rastreia a posição de um animal enquanto ele se move, com base em informações sensoriais.

Os pesquisadores personalizaram o modelo adicionando um componente capaz de aprender padrões de atividades gerados por informações sensoriais. Este modelo foi então capaz de aprender a usar esses padrões para reconstruir essas experiências mais tarde, quando não houve entrada sensorial.

“O elemento-chave que precisávamos adicionar é que este sistema tem a capacidade de aprender bidirecionalmente, comunicando-se com entradas sensoriais. Através da aprendizagem associativa pela qual o modelo passa, ele irá realmente recriar essas experiências sensoriais”, diz Jazayeri.

Os pesquisadores agora planejam estudar o que acontece no cérebro se os pontos de referência não estiverem espaçados uniformemente ou se estiverem dispostos em anel. Eles também esperam registrar a atividade cerebral no hipocampo e no córtex entorrinal quando os animais aprenderem a realizar uma tarefa de navegação.

“Ver a memória de uma estrutura cristalizar-se na mente e como isso leva à atividade neural que surge é uma forma realmente valiosa de perguntar como acontece a aprendizagem”, diz Jazayeri.

Financiamento: A pesquisa foi financiada pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá, pelos Fundos de Pesquisa de Quebec, pelos Institutos Nacionais de Saúde e pelo Prêmio Paul e Lily Newton de Ciência do Cérebro.

Sobre esta notícia de pesquisa de memória

autor: Abby Appazorius
fonte: Instituto de Tecnologia de Massachusetts
comunicação: Abby Apazourius – Instituto de Tecnologia de Massachusetts
foto: Imagem creditada ao Neuroscience News

Pesquisa original: Acesso fechado.
“Produção vetorial via navegação mental no córtex entorrinal“Por Mehrdad Jazayeri e outros. natureza

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um resumo

Produção vetorial via navegação mental no córtex entorrinal

Um mapa cognitivo é uma representação adequadamente organizada que permite fazer novos cálculos usando experiências anteriores; Por exemplo, planejar uma nova rota em um local familiar. Trabalhos com mamíferos encontraram evidências diretas de tais representações na presença de informações sensoriais externas em domínios espaciais e não espaciais.

Aqui testamos a hipótese fundamental da teoria original dos mapas cognitivos: que os mapas cognitivos suportam computações internas sem entrada externa.

Registramos a partir do córtex entorrinal de macacos uma tarefa de navegação mental que exigia que os macacos usassem um joystick para produzir vetores unidimensionais entre pares de pontos de referência visuais sem ver os pontos de referência intermediários.

A capacidade dos macacos de realizar a tarefa e generalizar para novos pares sugere que eles dependiam de uma representação organizada dos pontos de referência. Neurônios modulados por tarefas mostraram periodicidade e inclinação consistentes com a estrutura temporal dos pontos de referência e mostraram assinaturas de redes atrativas persistentes.

O modelo de rede de atratores contínuos de integração de caminhos, aumentado com um mecanismo de aprendizagem semelhante ao Hippie, forneceu uma explicação de como o sistema recupera pontos de referência internamente.

O modelo também fez uma previsão inesperada de que os pontos de referência internos retardam transitoriamente a integração do caminho, redefinindo a dinâmica e, assim, reduzindo a variabilidade. Esta previsão foi confirmada em uma reanálise da variabilidade e comportamento da taxa de disparo.

Nossas descobertas vinculam padrões de atividade organizados no córtex entorrinal ao recrutamento endógeno do mapa cognitivo durante a navegação mental.