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Padrões de atividade cerebral preveem com precisão o formato da língua durante a alimentação

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Padrões de atividade cerebral preveem com precisão o formato da língua durante a alimentação

Quantificação da deformação intraoral da língua e respostas corticais relacionadas. a Uma constelação de 7 marcadores radiopacos (esferas azuis) foi implantada no corpo da língua para capturar toda a cinemática da língua. b Arranjos multieletrodos foram implantados na região orofacial do córtex motor primário (M1o; azul escuro, arranjo Utah; azul claro, arranjo flutuante de microeletrodos) e córtex somatossensorial (SCo; vermelho, arranjo Utah; laranja, arranjo flutuante de microeletrodos). c, d Enquanto os sujeitos se alimentavam de uvas, a videoradiografia biplanar (c) registrou o movimento intraoral 2D dos marcadores, a partir dos quais trajetórias 3D (d) foram computados. Em d, cores diferentes representam diferentes marcadores de língua, SI, superoinferior; AP, anteroposterior; ML, mediolateral, todos relativos ao crânio. e Spike raster de dados neurais (100 neurônios representativos de M1o) coletados em sincronia com a cinemática mostrada em d. f Renderizações digitais superiores da postura da língua e mandíbula em três pontos de tempo em um ciclo de mastigação e variáveis ​​cinemáticas computadas. Na parte inferior, uma sobreposição restrita de Procrustes foi realizada para remover mudanças translacionais, rotacionais e de escala nas posições dos marcadores, deixando apenas a mudança de forma. g Variação percentual explicada pelos primeiros 10 componentes de uma análise de componentes principais nas posições dos marcadores (em relação ao crânio) em todas as tentativas. h Igual a g, mas calculado em posições de marcador no espaço de forma de Procrustes. Consulte “Métodos: processamento de dados XROMM” para obter detalhes sobre a geração de imagens. Crédito: Natureza Comunicações (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38586-3

Os neurocientistas aprenderam muito sobre como o cérebro interpreta e controla os movimentos que compõem os movimentos cotidianos, como caminhar, alcançar e agarrar objetos. Mas a mecânica de comportamentos fundamentais como comer, beber e se comunicar tem sido mais difícil de medir, em grande parte porque um componente crucial – a língua – está quase sempre oculto.

Uma nova pesquisa da Universidade de Chicago aceita esse desafio usando videografia de raios-X 3D e aprendizado de máquina para registrar movimentos intrincados da língua em primatas não humanos enquanto eles estão se alimentando.

Quando combinado com registros de atividade neural feitos simultaneamente no córtex sensório-motor do cérebro, o estudo, publicado na Natureza Comunicaçõesmostra que a forma 3D da língua pode ser decodificada com precisão do cérebro, abrindo possibilidades para próteses baseadas em interface de computador cerebral para restaurar funções perdidas de alimentação e fala.

Graus infinitos de liberdade

Além de ficar escondida dentro da boca, a língua apresenta outro desafio biomecânico. Os movimentos dos braços ou pernas são limitados por ossos e articulações do esqueleto, dando-lhes uma certa previsibilidade. Como a língua é feita inteiramente de músculos e outros tecidos moles, sua liberdade de movimento é quase ilimitada (exceto para os poucos azarados que não conseguem enrolar a língua em forma de U).

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“Quando pensamos no cérebro controlando os músculos, quase invariavelmente pensamos nisso como acionar um braço ou uma perna, que tem ossos rígidos movendo-se sobre uma articulação”, disse JD Laurence-Chasen, Ph.D., principal autor do estudo e um ex-bolsista de pós-doutorado na UChicago que agora trabalha como pesquisador no Laboratório Nacional de Energia Renovável em Golden, Colorado.

“A língua tem uma anatomia totalmente diferente. Não há estruturas internas rígidas. Há uma tonelada de músculos diferentes com funções sobrepostas e, portanto, tem graus de liberdade funcionalmente infinitos.”

Como pós-doutorado e Ph.D. estudante, Laurence-Chasen usou análise de dados e ferramentas de aprendizado de máquina para estudar como o cérebro controla os movimentos dinâmicos da língua e da mandíbula que são cruciais para a alimentação e a fala. No último estudo, ele trabalhou com Nicho Hatsopoulos, Ph.D., e Callum Ross, Ph.D., ambos professores de biologia e anatomia do organismo, para capturar os movimentos da língua de dois macacos Rhesus machos enquanto se alimentavam de uvas. .

Cada um dos macacos tinha um conjunto de sete marcadores presos às suas línguas. Esses marcadores podem ser detectados por duas câmeras de vídeo de raios X para registrar o movimento e a forma da língua enquanto ela ainda está dentro da boca, muito parecido com a tecnologia de captura de movimento usada para efeitos especiais em filmes ou videogames.

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Os macacos comem rápido, mastigando duas a três vezes por segundo, então os pesquisadores usaram uma nova tecnologia de imagem 3D chamada Reconstrução de Raios-X da Morfologia em Movimento (XROMM) para capturar e processar os dados de alta velocidade dos vários movimentos das línguas, forma mudanças e deformações.

Ao mesmo tempo, arranjos de microeletrodos implantados no córtex motor registraram a atividade neural enquanto os macacos se alimentavam. Laurence-Chasen e a equipe empregaram redes neurais profundas, uma forma de software de aprendizado de máquina, para analisar a atividade cerebral e aprender com essas informações.

Quando comparados com os movimentos reais registrados pelas câmeras de raios X, eles descobriram que as informações sobre a forma 3D e o movimento da língua estão presentes no córtex motor. Eles poderiam então usar esses dados para decodificar e prever com precisão o formato da língua com base apenas na atividade do neurônio.

“Sabíamos de algumas pesquisas anteriores que os movimentos básicos da língua envolviam o córtex, mas ficamos surpresos com a extensão e a resolução das informações sobre o formato da língua que pudemos extrair tão prontamente”, disse Laurence-Chasen.

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Um futuro para próteses moles

Curiosamente, esses dados são representados da mesma forma que os movimentos do braço e as posições 3D da mão são representados no cérebro. Hatsopoulos e Sliman Bensmaia, Ph.D., James e Karen Frank Family Professor of Organismal Biology and Anatomy na UChicago, já usaram esse corpo de pesquisa para traduzir sinais do cérebro em algoritmos de software que dirigem os movimentos de membros protéticos robóticos que amputados e tetraplégicos podem se mover com suas mentes e receber sensações naturais de toque em troca.

Embora a tecnologia para aplicações com a língua não esteja tão avançada, uma abordagem semelhante pode ajudar pacientes que perderam as funções de alimentação e fala.

“A disfagia e a dificuldade para engolir são um grande problema, especialmente com os idosos”, disse Hatsopoulos. “Se pudéssemos usar esta informação sobre a língua e sua forma para decodificar quando uma deglutição está prestes a acontecer, então poderíamos conectá-la a um dispositivo que poderia estimular o conjunto certo de músculos para ajudá-los a engolir.”

“O que JD conseguiu fazer aqui para decodificar as formas dos tecidos moles, não um sistema esquelético, é novidade”, disse ele. “Eu acho que é super emocionante.”

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Mais Informações:
Jeffrey D. Laurence-Chasen et al, Codificação cortical robusta da forma da língua 3D durante a alimentação em macacos, Natureza Comunicações (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38586-3

Fornecido pela Universidade de Chicago

Citação: Padrões de atividade cerebral preveem com precisão o formato da língua durante a alimentação (2023, 24 de maio) recuperado em 24 de maio de 2023 em https://medicalxpress.com/news/2023-05-patterns-brain-accurately-tongue.html

Este documento está sujeito a direitos autorais. Além de qualquer negociação justa para fins de estudo ou pesquisa privada, nenhuma parte pode ser reproduzida sem a permissão por escrito. O conteúdo é fornecido apenas para fins informativos.

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