Equipe de pesquisa constrói estrutura para quantificar os custos de controle do cérebro

O cérebro desempenha várias funções cognitivas e comportamentais na vida cotidiana, transitando de forma flexível para vários estados para realizar essas funções. Os cientistas veem o cérebro como um sistema que executa essas inúmeras funções controlando seus estados.

Para entender melhor as propriedades desse controle no cérebro, os cientistas procuram maneiras de estimar a dificuldade de controle, ou custo de controle, quando o cérebro transita de um estado para outro. Assim, uma equipe de pesquisadores realizou um estudo para quantificar esses custos de controle no cérebro e conseguiu construir uma estrutura que avalia esses custos.

Controlar transições para alguns estados incorre em maiores “custos” do que controlar transições para outros. Com o desenvolvimento de uma estrutura para quantificar os custos de transição, os cientistas terão uma maneira de avaliar a dificuldade das mudanças entre vários estados cerebrais. Possivelmente, eles também podem ter uma medida quantificável para explicar cargas cognitivas, diferenças sono-vigília, habituação de tarefas cognitivas e transtornos psiquiátricos.

A obra está publicada em O Jornal da Neurociência.

A equipe trabalhou para construir uma nova estrutura para quantificar o custo de controle que leva em conta a estocasticidade, ou a aleatoriedade, de atividade neural. Essa estocasticidade foi ignorada em estudos anteriores. O atual paradigma de controle em neurociência usa uma estrutura determinística que é incapaz de considerar a estocasticidade.

Mas é sabido que o dinâmica neural são estocásticos e o ruído é onipresente em todo o cérebro. “Neste trabalho, abordamos a questão da estocasticidade e propusemos pela primeira vez uma nova estrutura teórica que quantifica o custo de controle levando em consideração as flutuações estocásticas da dinâmica neural”, disse Shunsuke Kamiya, aluno de doutorado da Graduate School of Arts and Sciences. na Universidade de Tóquio.

Em seu estudo, os pesquisadores estabeleceram a expressão analítica do custo de controle estocástico, o que lhes permitiu calcular o custo em dados neurais de alta dimensão. Pela expressão analítica, eles descobriram que o custo de controle ótimo pode ser decomposto nos custos de controle de média e covariância. “Essa decomposição nos permite investigar como várias áreas do cérebro contribuem de maneira diferente para controlar as transições de um estado cerebral para outro”, disse Kamiya.

Os pesquisadores também identificaram as regiões cerebrais significativas para o controle ideal em tarefas cognitivas em dados de imagem do cérebro humano. Eles examinaram as regiões cerebrais significativas no controle ideal das transições do estado de repouso para sete estados de tarefas cognitivas, usando dados de imagem do cérebro humano de 352 adultos saudáveis. Eles descobriram que, com essas diferentes transições, as áreas visuais inferiores geralmente desempenhavam um papel significativo no controle das médias, enquanto o córtex cingulado posterior geralmente desempenhava um papel significativo no controle das covariâncias. o córtex cingulado posterior é a parte superior do lobo límbico, aquela região do cérebro que desempenha um papel importante na memória e nos comportamentos emocionais.

Neste estudo, a equipe considerou apenas o custo de controle ideal onde as transições de estado do cérebro são controladas de maneira ideal, com minimização do custo de controle estocástico. No entanto, em sistemas neurais reais, não é provável que as transições de estado sejam controladas de maneira otimizada. “Uma intrigante direção futura será comparar a dinâmica controlada de forma otimizada e a dinâmica real usando dados neurais durante as tarefas”, disse Masafumi Oizumi, professor associado da Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências da Universidade de Tóquio.

Olhando para pesquisas futuras, Oizumi explica que o objetivo final de seu laboratório é entender a conexão entre a dinâmica cerebral e os comportamentos humanos, cognições e consciência. “Por exemplo, suspeitamos que a diminuição da capacidade de controle na dinâmica cerebral pode estar relacionada à fadiga mental ou à perda de consciência. Esperamos que a perspectiva teórica do controle forneça uma nova visão para esse objetivo”, disse Oizumi.