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Principais mecanismos cerebrais para organizar memórias no tempo
Projeto de pesquisa de convergência integrou neurobiologia com técnicas de ciência de dados
Usando experimentos e uma abordagem profunda de análise de dados de aprendizado de máquina, os cientistas descobriram o funcionamento fundamental da região do hipocampo do cérebro, à medida que organiza as memórias em sequências de tempo. O trabalho pode ajudar futuras pesquisas sobre distúrbios cognitivos, como a doença de Alzheimer e outras causas de demência.
Em uma primeira vez científica, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine, descobriram mecanismos fundamentais pelos quais a região do hipocampo do cérebro organiza memórias em sequências e como isso pode ser usado para planejar o comportamento futuro. A descoberta pode ser um passo inicial crítico para entender as falhas de memória em distúrbios cognitivos, como a doença de Alzheimer e outras formas de demência.
Combinando técnicas de gravação eletrofisiológica em roedores com uma análise estatística de aprendizado de máquina de enormes quantidades de dados, os pesquisadores da UCI descobriram evidências sugerindo que a rede hipocampal codifica e preserva progressões de experiências para ajudar na tomada de decisões. O trabalho da equipe é tema de um artigo publicado recentemente na Nature Communications .
"Nosso cérebro mantém um registro muito bom de quando ocorrem experiências ou eventos específicos. Essa habilidade nos ajuda a funcionar em nossa vida diária, mas antes deste estudo, não tínhamos uma ideia clara dos mecanismos neuronais por trás desses processos", disse o correspondente. autor Norbert Fortin, UCI professor associado de neurobiologia e comportamento. "Onde se conecta com todo mundo é que esse tipo de memória é fortemente prejudicado em uma variedade de distúrbios neurológicos ou simplesmente com o envelhecimento, então realmente precisamos saber como essa função cerebral funciona".
O projeto, que levou mais de três anos para ser concluído, envolveu fases experimentais e de análise de dados. Os pesquisadores monitoraram o disparo de neurônios no cérebro dos ratos enquanto eles passavam por uma série de testes de identificação de odor. Ao apresentar cinco cheiros diferentes em várias sequências, os cientistas foram capazes de medir a memória dos animais da sequência correta e detectar como seus cérebros capturaram essas relações sequenciais.
"A analogia em que eu pensaria é a computação", disse Fortin. "Se eu colocasse eletrodos em seu cérebro - não podemos; é por isso que usamos ratos - eu poderia ver quais células estão disparando e quais não estão disparando em um determinado momento. Isso nos fornece algumas informações sobre como o cérebro representa e computa informações. Quando registramos padrões de atividade em uma estrutura, é como se estivéssemos vendo zeros e uns em um computador."
Obtidas em intervalos de milissegundos ao longo de vários minutos, as medidas de atividade e inatividade neuronal apresentam uma imagem dinâmica do funcionamento do cérebro. Fortin disse que ele e seus colegas foram, de certa forma, capazes de "ler as mentes" de seus sujeitos, visualizando a "codificação" das células - quais estavam disparando e quais não estavam - em rápida sucessão.
"Quando você está pensando em algo, ele se move rapidamente", disse ele. "Você não fica preso nessa memória por muito tempo. No momento, ela está sendo representada, mas podemos ver como isso muda muito rapidamente."
Fortin sabia desde cedo que as leituras da atividade hipocampal resultariam em enormes quantidades de dados brutos. Desde os estágios iniciais do projeto, ele contou com a participação de estatísticos da Donald Bren School of Information & Computer Sciences.
"As questões de neurociência que tínhamos na época em meu laboratório eram muito avançadas para o conhecimento estatístico que tínhamos. É por isso que precisávamos envolver parceiros com experiência em ciência de dados", disse Fortin.
"Esses estudos emergentes de neurociência dependem de métodos de ciência de dados por causa da complexidade de seus dados", disse o coautor sênior Babak Shahbaba, bolsista do chanceler da UCI e professor de estatística. "As atividades cerebrais são registradas em escala de milissegundos, e esses experimentos duram mais de uma hora, então você pode imaginar o quão rápido a quantidade de dados cresce. Chega a um ponto em que os neurocientistas precisam de técnicas mais avançadas para realizar o que imaginaram, mas não conseguiram não é capaz de implementar."
Ele observou que quando os neurônios codificam informações como memórias, os cientistas podem ter um vislumbre desse processo examinando o padrão de atividade de pico em todos os neurônios registrados, conhecidos coletivamente como um conjunto.
"Descobrimos que poderíamos tratar esses padrões neurais como imagens, e isso desbloqueou nossa capacidade de aplicar métodos de aprendizado de máquina profundos", disse Shahbaba. "Analisamos os dados com uma rede neural convolucional, que é uma metodologia usada com frequência em aplicativos de processamento de imagens, como reconhecimento facial".
Dessa forma, os pesquisadores conseguiram decodificar o disparo dos neurônios para recuperar informações.
"Sabemos como é a assinatura do odor B, assim como sabemos as de A, C e D", disse Fortin. "Por causa disso, você pode ver quando essas assinaturas reaparecem em um momento diferente, como quando nossos sujeitos estão antecipando algo que ainda não aconteceu. Estamos vendo essas assinaturas sendo reproduzidas rapidamente enquanto estão pensando no futuro ."
Shahbaba disse que as ferramentas e metodologias desenvolvidas durante este projeto podem ser aplicadas a uma ampla gama de problemas, e Fortin pode estender sua linha de investigação para outras regiões do cérebro.
O estudo é um exemplo do poder da pesquisa de convergência em instituições como a UCI, disse Shahbaba: "Eu pude ver diretamente a diferença que isso está fazendo para nossos alunos. importantes questões científicas que eles não puderam investigar no passado, e meus próprios alunos estão pensando fundamentalmente sobre o método científico de uma maneira sem precedentes."
Ele acrescentou: "Por meio dessa colaboração, estamos treinando a próxima geração de cientistas, que possuem as habilidades necessárias para conduzir pesquisas interdisciplinares".
Fortin e Shahbaba se juntaram ao projeto por Pierre Baldi, Professor Ilustre de Ciência da Computação da UCI; Lingge Li, que obteve um Ph.D. em estatísticas na UCI em 2020; Forest Agostinelli, que obteve um Ph.D. em ciência da computação na UCI em 2019 e agora é professor assistente na Universidade da Carolina do Sul; Mansi Saraf e Keiland Cooper, UCI Ph.D. estudantes de neurobiologia e comportamento; Derenik Haghverdian, Ph.D. da UCI. estudante de estatística; e Gabriel Elias, cientista do projeto de pós-doutorado na UCI. O financiamento foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação Nacional de Ciências e a Fundação Whitehall.
Materiais fornecidos pela Universidade da Califórnia-Irvine . Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
Babak Shahbaba, Lingge Li, Forest Agostinelli, Mansi Saraf, Keiland W. Cooper, Derenik Haghverdian, Gabriel A. Elias, Pierre Baldi, Norbert J. Fortin. Os conjuntos hipocampais representam relacionamentos sequenciais entre uma sequência estendida de eventos não espaciais . Comunicações da Natureza , 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-28057-6
Universidade da Califórnia - Irvine. "Mecanismos-chave do cérebro para organizar memórias no tempo: o projeto de pesquisa de convergência integrou neurobiologia com técnicas de ciência de dados." ScienceDaily. ScienceDaily, 15 de fevereiro de 2022. .