Nova estrutura liga ondas cerebrais a estados cognitivos individuais

A complexidade do cérebro humano – 86 mil milhões de neurónios com mais de 100 biliões de ligações – permite o pensamento abstracto, a aquisição da linguagem, o raciocínio avançado e a resolução de problemas, bem como a capacidade de criatividade e interacção social. Compreender como as diferenças na sinalização e na dinâmica cerebrais produzem cognição e comportamento únicos nos indivíduos tem sido há muito tempo um objetivo da pesquisa em neurociência, mas muitos fenômenos permanecem inexplicáveis.

Um estudo realizado por neurocientistas e engenheiros da Universidade de Washington, em St. Louis, aborda essa lacuna de conhecimento com um novo método para criar modelos cerebrais personalizados, que oferecem insights sobre a dinâmica neural individual. Liderado por ShiNung Ching, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas Preston M. Green da Escola de Engenharia McKelvey, e Todd Braver, professor do Departamento de Ciências Psicológicas e do Cérebro em Artes e Ciências, o trabalho foi publicado em janeiro de 2019. 17 pol. PNASapresenta uma nova estrutura que permitirá aos pesquisadores criar modelos cerebrais individualizados com base em dados detalhados de varreduras cerebrais não invasivas e de alta resolução temporal. Esses modelos personalizados têm aplicações em pesquisa e ambientes clínicos, onde poderiam apoiar avanços na neurociência e no tratamento de doenças neurológicas.

“Esta pesquisa é motivada pela nossa necessidade de compreender a variação de pessoa para pessoa na dinâmica cerebral”, disse o primeiro autor Matthew Singh, que conduziu a pesquisa enquanto era pós-doutorado com Braver e Ching na WashU e agora é professor assistente na Universidade. de Illinois Urbana-Champaign. “Não estamos explicando toda a gama de mecanismos biofísicos que atuam no cérebro humano, mas somos capazes de esclarecer por que indivíduos saudáveis ​​têm dinâmicas cerebrais diferentes com nossa nova estrutura de modelagem, que nos dá insights sobre a mecânica cerebral e previsões testáveis dos fenômenos cerebrais.”

Uma vantagem importante da técnica da equipe é a capacidade de ver variações individuais na geração de ondas alfa e beta e vinculá-las a mudanças globais no cérebro. Esses dois tipos de ondas cerebrais, caracterizados por suas diferentes frequências elétricas, estão associados a diferentes estados e funções cognitivas. Por exemplo, as ondas alfa estão associadas a estados de relaxamento, como a meditação, enquanto as ondas beta estão associadas a estados de alerta e ativos, como a tomada de decisões e a resolução de problemas. A variação na frequência de pico das ondas alfa tem sido tradicionalmente uma medida confiável das diferenças individuais no cérebro e no comportamento.

O estudo relaciona as diferenças nas oscilações das frequências alfa e beta com a variação em todo o cérebro no equilíbrio entre neurônios excitatórios – aqueles que aumentam a atividade disparando e passando sinais para outros neurônios – e neurônios inibitórios – aqueles que regulam a atividade dizendo a outros neurônios que não para atirar. Os pesquisadores validaram os modelos personalizados, mostrando que eles poderiam reproduzir padrões alfa e beta individuais globais e prever com precisão a atividade futura de todo o cérebro, verificando o poder explicativo de sua estrutura.

“Esta nova técnica fornece uma ferramenta poderosa para explorar os mecanismos subjacentes à dinâmica cerebral individual com base em medições não invasivas da atividade cerebral”, disse Ching. “Isso nos permitirá avançar na neurociência de alto nível, criar modelos cerebrais precisos para indivíduos que possam prever a atividade cerebral futura e usar esse conhecimento para informar intervenções médicas personalizadas”.

“A colaboração contínua, a expansão e o refinamento do nosso modelo serão uma parte fundamental dos próximos passos deste projeto”, acrescentou Braver. “Nossa abordagem inovadora tem o potencial de fornecer novos insights sobre como a variação individual na dinâmica cerebral resulta em diferenças no funcionamento cognitivo. Esperamos que esta estrutura também possa eventualmente informar novas maneiras de melhorar o funcionamento cognitivo, como com a neuroestimulação”.