Estudo revela um padrão universal de frequências de ondas cerebrais em espécies de mamíferos

Ao longo do córtex cerebral, os neurônios estão dispostos em seis camadas distintas, que podem ser facilmente vistas com um microscópio. Uma equipe de neurocientistas do MIT descobriu agora que essas camadas também apresentam padrões distintos de atividade elétrica, que são consistentes em muitas regiões do cérebro e em várias espécies animais, incluindo humanos.

Os pesquisadores descobriram que nas camadas superiores, a atividade dos neurônios é dominada por oscilações rápidas conhecidas como ondas gama. Nas camadas mais profundas predominam oscilações mais lentas chamadas ondas alfa e beta. A universalidade destes padrões sugere que estas oscilações provavelmente desempenham um papel importante em todo o cérebro, dizem os investigadores.

A obra está publicada em Neurociência da Natureza.

“Quando você vê algo tão consistente e onipresente no córtex, isso desempenha um papel fundamental no que o córtex faz”, diz Earl Miller, professor de neurociência da Picower, membro do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória do MIT e um dos autores seniores do novo estudo.

Desequilíbrios na forma como essas oscilações interagem entre si podem estar envolvidos em distúrbios cerebrais, como o transtorno de déficit de atenção e hiperatividade, dizem os pesquisadores.

“Sabe-se que a atividade neural excessivamente síncrona desempenha um papel na epilepsia, e agora suspeitamos que diferentes patologias de sincronia podem contribuir para muitos distúrbios cerebrais, incluindo distúrbios de percepção, atenção, memória e controle motor. fora de sincronia com o resto pode perturbar a coerência de toda a peça musical”, diz Robert Desimone, diretor do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT e um dos autores seniores do estudo.

André Bastos, professor assistente de psicologia na Universidade Vanderbilt, também é autor sênior do artigo. Os autores principais são o cientista pesquisador do MIT Diego Mendoza-Halliday e o pós-doutorado do MIT Alex Major.

Camadas de atividade

O cérebro humano contém bilhões de neurônios, cada um com seus próprios padrões de disparo elétrico. Juntos, grupos de neurônios com padrões semelhantes geram oscilações de atividade elétrica, ou ondas cerebrais, que podem ter frequências diferentes. O laboratório de Miller mostrou anteriormente que os ritmos gama de alta frequência estão associados à codificação e recuperação de informações sensoriais, enquanto os ritmos beta de baixa frequência atuam como um mecanismo de controle que determina quais informações são lidas na memória de trabalho.

O seu laboratório também descobriu que, em certas partes do córtex pré-frontal, diferentes camadas cerebrais apresentam padrões distintos de oscilação: oscilação mais rápida na superfície e oscilação mais lenta nas camadas profundas. Um estudo, liderado por Bastos quando era pós-doutorando no laboratório de Miller, mostrou que, à medida que os animais realizavam tarefas de memória de trabalho, os ritmos de frequência mais baixa gerados nas camadas mais profundas regulavam os ritmos gama de frequência mais alta gerados nas camadas superficiais.

Além da memória de trabalho, o córtex cerebral também é a sede do pensamento, do planejamento e do processamento de alto nível de emoções e informações sensoriais. Ao longo das regiões envolvidas nestas funções, os neurónios estão dispostos em seis camadas, e cada camada tem a sua própria combinação distinta de tipos de células e ligações com outras áreas do cérebro.

“O córtex é organizado anatomicamente em seis camadas, não importa se você olha para camundongos, humanos ou qualquer espécie de mamífero, e esse padrão está presente em todas as áreas corticais de cada espécie”, diz Mendoza-Halliday. “Infelizmente, muitos estudos sobre a atividade cerebral têm ignorado essas camadas porque, quando se registra a atividade dos neurônios, é difícil entender onde eles estão no contexto dessas camadas”.

No novo artigo, os investigadores queriam explorar se o padrão de oscilação em camadas que observaram no córtex pré-frontal é mais difundido, ocorrendo em diferentes partes do córtex e entre espécies.

Usando uma combinação de dados adquiridos no laboratório de Miller, no laboratório de Desimone e em laboratórios de colaboradores da Vanderbilt, do Instituto Holandês de Neurociências e da Universidade de Western Ontario, os pesquisadores conseguiram analisar 14 áreas diferentes do córtex, de quatro espécies de mamíferos. . Esses dados incluíram gravações da atividade elétrica de três pacientes humanos que tiveram eletrodos inseridos no cérebro como parte de um procedimento cirúrgico a que estavam sendo submetidos.

A gravação de camadas corticais individuais foi difícil no passado, porque cada camada tem menos de um milímetro de espessura, por isso é difícil saber de qual camada um eletrodo está gravando. Para este estudo, a atividade elétrica foi registrada usando eletrodos especiais que registram todas as camadas de uma só vez e, em seguida, alimentam os dados em um novo algoritmo computacional desenvolvido pelos autores, denominado FLIP (procedimento de identificação de camada baseado em frequência). Este algoritmo pode determinar de qual camada cada sinal veio.

“A tecnologia mais recente permite o registro de todas as camadas do córtex simultaneamente. Isso mostra uma perspectiva mais ampla dos microcircuitos e nos permitiu observar esse padrão em camadas”, diz Major. “Este trabalho é emocionante porque é informativo sobre um padrão fundamental de microcircuito e fornece uma nova técnica robusta para estudar o cérebro. Não importa se o cérebro está executando uma tarefa ou em repouso e pode ser observado em apenas cinco minutos. a 10 segundos.”

Em todas as espécies, em cada região estudada, os investigadores encontraram o mesmo padrão de atividade em camadas.

“Fizemos uma análise em massa de todos os dados para ver se conseguíamos encontrar o mesmo padrão em todas as áreas do córtex, e voilà, ele estava em toda parte. Essa foi uma indicação real de que o que havia sido visto anteriormente em algumas áreas era representando um mecanismo fundamental em todo o córtex”, diz Mendoza-Halliday.

Manter o equilíbrio

As descobertas apoiam um modelo apresentado anteriormente pelo laboratório de Miller, que propõe que a organização espacial do cérebro o ajuda a incorporar novas informações, transportadas por oscilações de alta frequência, em memórias e processos cerebrais existentes, que são mantidos por oscilações de baixa frequência. . À medida que a informação passa de camada para camada, informações podem ser incorporadas conforme necessário para ajudar o cérebro a realizar tarefas específicas, como preparar uma nova receita de biscoito ou lembrar um número de telefone.

“A consequência de uma separação laminar dessas frequências, como observamos, pode ser permitir que camadas superficiais representem informações sensoriais externas com frequências mais rápidas, e que camadas profundas representem estados cognitivos internos com frequências mais lentas”, diz Bastos. “A implicação de alto nível é que o córtex tem múltiplos mecanismos que envolvem anatomia e oscilações para separar informações ‘externas’ de ‘internas’.”

Segundo esta teoria, os desequilíbrios entre as oscilações de alta e baixa frequência podem levar a défices de atenção, como o TDAH, quando as frequências mais altas dominam e entra demasiada informação sensorial, ou a perturbações delirantes, como a esquizofrenia, quando as oscilações de baixa frequência são demasiado intensas. entra informação sensorial forte e insuficiente.

“O equilíbrio adequado entre os sinais de controle de cima para baixo e os sinais sensoriais de baixo para cima é importante para tudo o que o córtex faz”, diz Miller. “Quando o equilíbrio dá errado, você tem uma grande variedade de distúrbios neuropsiquiátricos”.

Os investigadores estão agora a explorar se a medição destas oscilações poderia ajudar a diagnosticar estes tipos de distúrbios. Eles também estão investigando se o reequilíbrio das oscilações poderia alterar o comportamento – uma abordagem que poderia um dia ser usada para tratar déficits de atenção ou outros distúrbios neurológicos, dizem os pesquisadores.

Os pesquisadores também esperam trabalhar com outros laboratórios para caracterizar os padrões de oscilação em camadas com mais detalhes em diferentes regiões do cérebro.

“Nossa esperança é que, com relatórios padronizados suficientes, comecemos a ver padrões comuns de atividade em diferentes áreas ou funções que possam revelar um mecanismo comum de computação que possa ser usado para resultados motores, para visão, para memória e atenção, et cetera”, diz Mendoza-Halliday.

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.