SCTD, 21/07/2023
O Laboratório de Aprendizagem da Champalimaud Research descobriu uma forma de manipular a percepção do tempo pelo cérebro, controlando a atividade neural em ratos. Sua pesquisa, que tem aplicações potenciais no tratamento de doenças como Parkinson e Huntington, também pode influenciar os campos da robótica e dos algoritmos de aprendizado.
Das reflexões de Aristóteles sobre a natureza do tempo à teoria da relatividade de Einstein, a humanidade há muito pondera: como percebemos e entendemos o tempo? A teoria da relatividade postula que o tempo pode se esticar e contrair, um fenômeno conhecido como dilatação do tempo. Assim como o cosmo distorce o tempo, nossos circuitos neurais podem esticar e comprimir nossa experiência subjetiva do tempo. Como Einstein fez a famosa piada: “Coloque sua mão em um fogão quente por um minuto e parecerá uma hora. Sente-se com uma garota bonita por uma hora e parecerá um minuto".
Em um novo trabalho do Learning Lab da Champalimaud Research publicado na revista Nature Neuroscience, os cientistas retardaram ou aceleraram artificialmente os padrões de atividade neural em ratos, distorcendo seu julgamento da duração do tempo e fornecendo a evidência causal mais convincente até agora de como o relógio interno do cérebro guia o comportamento.
Em contraste com os relógios circadianos mais familiares que governam nossos ritmos biológicos de 24 horas e moldam nossa vida diária, dos ciclos sono-vigília ao metabolismo, sabe-se muito menos sobre como o corpo mede o tempo na escala de segundos a minutos. O estudo concentrou-se precisamente nessa escala de tempo de segundos a minutos em que grande parte do nosso comportamento se desenvolve, esteja você esperando em um semáforo ou sacando uma bola de tênis.
A hipótese do relógio populacional
Ao contrário do tique-taque exato do relógio centralizado de um computador, nossos cérebros mantêm um senso de tempo descentralizado e flexível, pensado para ser moldado pela dinâmica das redes neuronais dispersas pelo cérebro. Nesta hipótese do “relógio populacional”, nossos cérebros mantêm o tempo contando com padrões consistentes de atividade que evoluem em grupos de neurônios durante o comportamento.
Joe Paton, autor sênior do estudo, compara isso a jogar uma pedra em um lago. “Cada vez que uma pedra é jogada, ela cria ondulações que irradiam para fora da superfície em um padrão repetível. Ao examinar os padrões e as posições dessas ondulações, pode-se deduzir quando e onde a pedra caiu na água.”
“Assim como a velocidade com que as ondulações se movem pode variar, o ritmo com que esses padrões de atividade progridem nas populações neurais também pode mudar. Nosso laboratório foi um dos primeiros a demonstrar uma estreita correlação entre a velocidade com que essas 'ondulações' neurais evoluem e as decisões dependentes do tempo.”
Os pesquisadores treinaram ratos para distinguir entre diferentes intervalos de tempo. Eles descobriram que a atividade no estriado, uma região profunda do cérebro, segue padrões previsíveis que mudam em diferentes velocidades: quando os animais relatam um determinado intervalo de tempo como mais longo, a atividade evolui mais rapidamente, e quando o relatam como mais curto, a atividade evolui mais lentamente.
No entanto, correlação não implica causalidade. “Queríamos testar se a variabilidade na velocidade da dinâmica da população estriatal apenas se correlaciona ou regula diretamente o comportamento do tempo. Para fazer isso, precisávamos de uma maneira de manipular experimentalmente essa dinâmica à medida que os animais relatavam julgamentos de tempo”.
Desvendando o tempo com a temperatura
“Nunca deite fora ferramentas velhas”, sorri Tiago Monteiro, um dos principais autores do estudo. Para estabelecer a causa, a equipe recorreu a uma técnica antiga na caixa de ferramentas do neurocientista: temperatura. “A temperatura tem sido usada em estudos anteriores para manipular a dinâmica temporal de comportamentos, como o canto dos pássaros. O resfriamento de uma região específica do cérebro desacelera a música, enquanto o aquecimento a acelera, sem alterar sua estrutura. É como mudar o andamento de uma peça musical sem afetar as próprias notas. Achamos que a temperatura poderia ser ideal, pois potencialmente nos permitiria alterar a velocidade da dinâmica neural sem interromper seu padrão”.
Para testar essa ferramenta em ratos, eles desenvolveram um dispositivo termoelétrico personalizado para aquecer ou resfriar o estriado focalmente, enquanto registrava simultaneamente a atividade neural. Nesses experimentos, os ratos foram anestesiados, então os pesquisadores empregaram optogenética – uma técnica que usa luz para estimular células específicas – para criar ondas de atividade no corpo estriado dormente, muito parecido com jogar a pedra na lagoa. Segundo a co-autora Margarida Pexirra, “tivemos o cuidado de não resfriar muito a área, pois isso interromperia a atividade ou a aqueceria demais, arriscando danos irreversíveis”. Eles descobriram que, de fato, o resfriamento dilatava o padrão de atividade, enquanto o aquecimento o contraía, sem perturbar o próprio padrão.
“A temperatura então nos deu um botão para esticar ou contrair a atividade neural no tempo, então aplicamos essa manipulação no contexto do comportamento”, diz Filipe Rodrigues, outro autor principal do estudo. “Treinamos animais para relatar se o intervalo entre dois tons era menor ou maior que 1,5 segundo. Quando esfriamos o corpo estriado, eles eram mais propensos a dizer que um determinado intervalo era curto. Quando aquecíamos, era mais provável que eles dissessem que era comprido.” Por exemplo, o aquecimento do estriado acelerou a dinâmica da população estriatal, semelhante à aceleração do movimento dos ponteiros de um relógio, fazendo com que os ratos julgassem um determinado intervalo de tempo como sendo mais longo do que realmente era.
Dois sistemas cerebrais para controle motor
“Surpreendentemente”, acrescenta Paton, “mesmo que o corpo estriado coordene o controle motor, desacelerar ou acelerar seus padrões de atividade não diminui ou acelera os movimentos dos animais na tarefa. Isso nos levou a pensar mais profundamente sobre a natureza do controle do comportamento em geral. Mesmo os organismos mais simples enfrentam dois desafios fundamentais quando se trata de controlar o movimento. Primeiro, eles precisam escolher entre diferentes ações potenciais – por exemplo, se devem avançar ou retroceder. Em segundo lugar, uma vez escolhida uma ação, eles precisam ser capazes de ajustá-la e controlá-la continuamente para garantir que ela seja executada com eficácia. Esses problemas básicos se aplicam a todos os tipos de organismos, de vermes a humanos”.
As descobertas da equipe indicam que o estriado é crítico para resolver o primeiro desafio – determinar “o que” fazer e “quando” – enquanto o segundo desafio de “como” controlar o movimento em andamento é deixado para outras estruturas cerebrais. Em um estudo separado, a equipe agora está explorando o cerebelo, que abriga mais da metade dos neurônios do cérebro e está associado à execução contínua, momento a momento, de nossas ações. “Curiosamente”, revela Paton, “nossos dados preliminares mostram que a aplicação de manipulações de temperatura no cerebelo, ao contrário do corpo estriado, afeta o controle contínuo do movimento”.
Como Paton aponta, “Você pode ver essa divisão de trabalho entre os dois sistemas cerebrais em distúrbios do movimento como Parkinson e ataxia cerebelar”.
A doença de Parkinson, uma doença que afeta o estriado, muitas vezes dificulta a capacidade dos pacientes de iniciar planos motores por conta própria, como caminhar. No entanto, fornecer pistas sensoriais, como linhas de fita adesiva no chão, pode facilitar a caminhada. Essas pistas provavelmente envolvem outras regiões do cérebro, como o cerebelo e o córtex, que ainda estão intactos e podem gerenciar com eficácia o movimento contínuo. Por outro lado, os pacientes com lesão cerebelar lutam para executar movimentos suaves e coordenados, mas não necessariamente com o início ou a transição entre os movimentos.
Implicações e direções futuras
Ao fornecer novos insights sobre a relação causal entre a atividade neural e a função de temporização, os resultados da equipe podem avançar no desenvolvimento de novos alvos terapêuticos para doenças debilitantes, como Parkinson e Huntington, que envolvem sintomas relacionados ao tempo e estriado comprometido. Além disso, ao destacar um papel mais específico para o estriado no controle motor discreto, em oposição ao contínuo, os resultados também podem influenciar estruturas algorítmicas usadas em robótica e aprendizado.
“Ironicamente, para um artigo sobre o tempo, esse estudo levou anos para ser feito”, comenta Monteiro. “Mas há muito mais mistério para desvendar. Em primeiro lugar, quais circuitos cerebrais criam essas ondulações de atividade de cronometragem? Que cálculos, além de manter o tempo, essas ondulações podem realizar? Como eles nos ajudam a adaptar e responder de forma inteligente ao nosso ambiente? Para responder a essas perguntas, vamos precisar de mais algo que estamos estudando... tempo.”
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