A forma como a previsão sensorial muda sob anestesia pode revelar como funciona a cognição consciente

Nossos cérebros trabalham constantemente para fazer previsões sobre o que está acontecendo ao nosso redor, por exemplo, para garantir que possamos atender e considerar o inesperado. Um novo estudo examina como isso funciona durante a consciência e também se desfaz sob anestesia geral. Os resultados acrescentam evidências para a ideia de que o pensamento consciente requer comunicação sincronizada – mediada por ritmos cerebrais em faixas de frequência específicas – entre regiões sensoriais básicas e regiões cognitivas de ordem superior do cérebro.

Anteriormente, membros da equipe de pesquisa do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória do MIT e da Universidade Vanderbilt descreveram como os ritmos cerebrais permitem que o cérebro permaneça preparado para enfrentar surpresas.

As regiões cerebrais orientadas para a cognição (geralmente na parte frontal do cérebro) usam ritmos alfa e beta de frequência relativamente baixa para suprimir o processamento pelas regiões sensoriais (geralmente na parte posterior do cérebro) de estímulos que se tornaram familiares e mundanos no ambiente ( por exemplo, a música do seu colega de trabalho). Quando as regiões sensoriais detectam uma surpresa (por exemplo, o alarme de incêndio do escritório), elas usam ritmos gama de frequência mais rápida para informar as regiões superiores sobre isso e as regiões superiores processam isso em frequências gama para decidir o que fazer (por exemplo, sair do edifício).

Os novos resultados publicados em 7 de outubro no Anais da Academia Nacional de Ciênciasmostram que quando os animais estavam sob anestesia geral induzida por propofol, uma região sensorial retinha a capacidade de detectar surpresas simples, mas a comunicação com uma região cognitiva superior em direção à parte frontal do cérebro era perdida, tornando essa região incapaz de se envolver em sua “superioridade”. para baixo” regulação da atividade da região sensorial e mantê-la alheia a surpresas simples e mais complexas.

“O que estamos fazendo aqui fala sobre a natureza da consciência”, disse o co-autor sênior Earl K. Miller, professor Picower no Instituto Picower de Aprendizagem e Memória e no Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas do MIT. “A anestesia geral com propofol desativa os processos de cima para baixo que fundamentam a cognição. Essencialmente, ela desconecta a comunicação entre as metades anterior e posterior do cérebro.”

O co-autor sênior Andre Bastos, professor assistente no departamento de psicologia da Vanderbilt e ex-membro do laboratório de Miller no MIT, acrescentou que os resultados do estudo destacam o papel fundamental das áreas frontais na consciência.

“Estes resultados são particularmente importantes dado o recente interesse científico nos mecanismos da consciência e como a consciência se relaciona com a capacidade do cérebro de formar previsões”, disse Bastos.

“A capacidade de previsão do cérebro é dramaticamente alterada durante a anestesia. Foi interessante que a parte frontal do cérebro, áreas associadas à cognição, tenham suas habilidades preditivas mais fortemente diminuídas do que as áreas sensoriais. Isso sugere que as áreas pré-frontais ajudam a desencadear uma ‘ignição’. ‘ evento que permite que a informação sensorial se torne consciente. A ativação do córtex sensorial por si só não leva à percepção consciente. Essas observações nos ajudam a restringir possíveis modelos para os mecanismos da consciência.

Yihan Sophy Xiong, estudante de pós-graduação do laboratório de Bastos que liderou o estudo, disse que o anestésico reduz o tempo em que a comunicação inter-regional dentro do

“No cérebro acordado, as ondas cerebrais oferecem pequenas janelas de oportunidade para os neurônios dispararem de maneira ideal – a ‘taxa de atualização’ do cérebro, por assim dizer”, disse Xiong. “Esta taxa de atualização ajuda a organizar diferentes áreas do cérebro para se comunicarem de forma eficaz. Anestesia tanto diminui a taxa de atualização, o que estreita essas janelas de tempo para as áreas do cérebro se comunicarem e torna a taxa de atualização menos eficaz, de modo que os neurônios ficam mais desorganizados sobre quando podem disparar. a capacidade de fazer previsões está enfraquecida.”

Aprendendo com excêntricos

Para conduzir a pesquisa, os neurocientistas mediram os sinais elétricos, “ou picos”, de centenas de neurônios individuais e os ritmos coordenados de sua atividade agregada (em frequências alfa/beta e gama), em duas áreas na superfície, ou córtex, do cérebro de dois animais enquanto ouviam sequências de tons.

Às vezes, as sequências seriam todas da mesma nota (por exemplo, AAAAA). Às vezes, havia uma simples surpresa que os pesquisadores chamavam de “excêntrico local” (por exemplo, AAAAB). Mas às vezes a surpresa seria mais complicada, ou uma “excêntrica global”. Por exemplo, depois de ver uma série de AAAABs, de repente surgiria AAAAA, o que viola o padrão global, mas não o local.

Trabalhos anteriores sugeriram que uma região sensorial (neste caso, a área temporoparietal, ou Tpt) pode detectar excêntricos locais por si só, disse Miller. A detecção do excêntrico global mais complicado requer a participação de uma região de ordem superior (neste caso, os Campos Oculares Frontais, ou FEF).

Os animais ouviram as sequências de tons enquanto estavam acordados e sob anestesia com propofol. Não houve surpresas quanto ao estado de vigília. Os pesquisadores reafirmaram que os ritmos alfa/beta de cima para baixo do FEF carregavam previsões para o Tpt e que o Tpt aumentaria os ritmos gama quando surgisse um estranho, fazendo com que o FEF (e o córtex pré-frontal) respondesse também com aumentos de atividade gama.

Mas através de diversas medidas e análises, os cientistas puderam ver esta dinâmica ser interrompida depois que os animais perderam a consciência.

Sob o propofol, por exemplo, a atividade de aumento diminuiu em geral, mas quando apareceu um excêntrico local, o aumento do Tpt ainda aumentou notavelmente, mas agora o aumento no FEF não seguiu o exemplo como acontece durante a vigília.

Enquanto isso, quando um estranho global foi apresentado durante a vigília, os pesquisadores puderam usar um software para “decodificar” a representação disso entre os neurônios do FEF e do córtex pré-frontal (outra região orientada para a cognição). Eles também poderiam decodificar excêntricos locais no Tpt. Mas sob anestesia, o decodificador não conseguia mais detectar com segurança a representação de excêntricos locais ou globais no FEF ou no córtex pré-frontal.

Além disso, quando compararam os ritmos nas regiões entre estados de vigília e estados inconscientes, encontraram diferenças marcantes. Quando os animais estavam acordados, os excêntricos aumentaram a atividade gama em Tpt e FEF e os ritmos alfa/beta diminuíram. A estimulação regular e não excêntrica aumentou os ritmos alfa/beta. Mas quando os animais perderam a consciência, o aumento nos ritmos gama de um excêntrico local foi ainda maior em Tpt do que quando o animal estava acordado.

“Sob a perda de consciência mediada pelo propofol, a função inibitória de alfa/beta diminuiu e/ou foi eliminada, levando à desinibição de excêntricos no córtex sensorial”, escreveram os autores.

Outras análises de conectividade e sincronia entre regiões revelaram que as regiões perderam a capacidade de comunicação durante a anestesia.

Ao todo, as evidências do estudo sugerem que o pensamento consciente requer coordenação em todo o córtex, da frente para trás, escreveram os pesquisadores.

“Nossos resultados sugerem, portanto, um papel importante para a ativação do córtex pré-frontal, além da ativação do córtex sensorial, para a percepção consciente”, escreveram os pesquisadores.

Além de Xiong, Miller e Bastos, os outros autores do artigo são Jacob Donoghue, Mikael Lundqvist, Meredith Mahnke, Alex Major e Emery N. Brown.