Um ‘simulador de voo’ para o cérebro revela como aprendemos – e por que as mentes às vezes saem do curso

Todos os dias, seu cérebro toma milhares de decisões sob incerteza. Na maioria das vezes, você acerta. Quando você não faz isso, você aprende. Mas quando a capacidade do cérebro de julgar o contexto ou atribuir significado falha, os pensamentos e o comportamento podem se desviar. Em perturbações psiquiátricas que vão desde a perturbação de défice de atenção/hiperactividade até à esquizofrenia, o cérebro pode avaliar mal a quantidade de provas a reunir antes de agir – ou não conseguir ajustar-se quando as regras do mundo mudam com base em novas informações.

“A incerteza está embutida na fiação do cérebro”, diz Michael Halassa, professor de neurociência na Escola de Medicina da Universidade Tufts. “Imagine grupos de neurônios votando – alguns otimistas, outros pessimistas. Suas decisões refletem a média.” Quando esse equilíbrio é distorcido, o cérebro pode interpretar mal o mundo: atribuir demasiado significado a acontecimentos aleatórios, como na esquizofrenia, ou ficar preso a padrões rígidos, como no transtorno obsessivo-compulsivo.

Compreender essas falhas de ignição há muito desafia os cientistas, diz Halassa. “O cérebro fala a linguagem dos neurônios individuais. Mas a fMRI – a ferramenta que usamos para estudar a atividade cerebral nas pessoas – rastreia o fluxo sanguíneo, não a vibração elétrica das células cerebrais individuais.”

Preencher essa lacuna significa combinar insights de estudos unicelulares em animais, imagens do cérebro humano e comportamento. Agora, um novo tipo de modelo computacional – baseado na biologia real – permite aos investigadores simular como os circuitos cerebrais tomam decisões e se adaptam quando as regras mudam.

Chamado CogLinks, o modelo incorpora realismo biológico em seu design, refletindo como as células cerebrais reais estão conectadas e codificando como elas atribuem valor a observações muitas vezes ambíguas e incompletas sobre o ambiente externo. Ao contrário de muitos sistemas de inteligência artificial que agem como “caixas pretas”, o CogLinks mostra aos pesquisadores exatamente como seus neurônios virtuais ligam a estrutura à função. Como resultado, os cientistas podem mapear como esse cérebro virtual aprende com a experiência e gira com base em novas informações.

Em um estudo publicado em 16 de outubro em Comunicações da Naturezao autor sênior Halassa e colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) usaram CogLinks para explorar como os circuitos cerebrais coordenam o pensamento flexível. Como um simulador de vôo para o cérebro, o CogLinks permite que os pesquisadores testem o que acontece quando os principais circuitos de tomada de decisão saem do curso. Quando enfraqueceram a ligação virtual entre duas regiões cerebrais simuladas – o córtex pré-frontal e o tálamo mediodorsal – o sistema optou por uma aprendizagem mais lenta e orientada pelo hábito. Esse resultado sugere que esse caminho é essencial para a adaptabilidade.

Para ver se essas previsões eram verdadeiras nas pessoas, a equipe conduziu então um estudo complementar de fMRI, também publicado no Comunicações da Naturezaque foi supervisionado por Burkhard Pleger da Ruhr-University Bochum e Halassa. Os voluntários jogaram um jogo em que as regras mudaram inesperadamente. Como esperado, o córtex pré-frontal cuidava do planejamento e a região central e profunda do cérebro conhecida como corpo estriado guiava os hábitos – mas o tálamo mediodorsal se iluminou quando os jogadores perceberam que as regras haviam mudado e ajustaram sua estratégia.

A imagem confirmou o que o modelo havia previsto: o tálamo mediodorsal atua como um painel de controle que liga os dois principais sistemas de aprendizagem do cérebro – flexível e habitual – ajudando o cérebro a inferir quando o contexto mudou e a mudar estratégias de acordo.

Halassa espera que a investigação ajude a lançar as bases para um novo tipo de “psiquiatria algorítmica”, em que modelos computacionais ajudam a revelar como a doença mental emerge de mudanças nos circuitos cerebrais, identificando marcadores biológicos para direcionar tratamentos com precisão.

“Uma das grandes questões da psiquiatria é como ligar o que sabemos sobre a genética aos sintomas cognitivos”, diz Mien Brabeeba Wang, principal autora do estudo CogLinks, coautora do estudo fMRI e estudante de doutoramento do MIT no laboratório de Halassa.

“Muitas mutações ligadas à esquizofrenia afetam os receptores químicos encontrados em todo o cérebro”, diz Wang. “Os usos futuros dos CogLinks podem nos ajudar a ver como essas mudanças moleculares generalizadas podem tornar mais difícil para o cérebro organizar informações para um pensamento flexível.”