Padrões de ondas cerebrais de alta frequência no córtex motor podem prever um próximo movimento

Resumo: O recrutamento organizado espacialmente da atividade neural em todo o córtex motor informa os detalhes dos movimentos planejados.

Fonte: Universidade de Chicago

Nicholas G. Hatsopoulos, PhD, professor de biologia e anatomia do organismo na Universidade de Chicago, há muito se interessa pelo espaço. Especificamente, o espaço físico ocupado pelo cérebro.

“Dentro de nossas cabeças, o cérebro está todo amassado. Se você achatasse o córtex humano em uma única folha 2D, cobriria dois pés quadrados e meio de espaço – aproximadamente o tamanho de quatro pedaços de papel. Você pensaria que o cérebro tiraria proveito de todo esse espaço ao organizar os padrões de atividade, mas, além de saber que uma parte do cérebro controla o braço e outra controla a perna, ignoramos principalmente como o cérebro pode usar essa organização espacial. .”

Agora, em um novo estudo publicado em 16 de janeiro na Anais da Academia Nacional de Ciências, Hatsopoulos e sua equipe encontraram evidências de que o cérebro realmente usa a organização espacial das ondas de propagação de alta frequência da atividade neuronal durante o movimento.

A presença de ondas de propagação de atividade neuronal foi bem estabelecida, mas elas são tradicionalmente associadas ao estado comportamental geral de um animal (como acordado ou dormindo). Este estudo é a primeira evidência de que o recrutamento organizado espacialmente da atividade neuronal através do córtex motor pode informar detalhes de um movimento planejado.

A equipe espera que o trabalho ajude a informar como pesquisadores e engenheiros decodificam informações motoras para construir melhores interfaces cérebro-máquina.

Para conduzir o estudo, os pesquisadores registraram a atividade de arranjos de múltiplos eletrodos implantados no córtex motor primário de macacos enquanto os macacos executavam uma tarefa que exigia que eles movessem um joystick. Em seguida, eles procuraram padrões de atividade semelhantes a ondas, especificamente aqueles de alta amplitude.

“Focamos nos sinais da banda de alta frequência devido à sua riqueza de informações, alcance espacial ideal e facilidade de obtenção de sinal em todos os eletrodos”, disse Wei Liang, primeiro autor do estudo e aluno de pós-graduação no laboratório de Hatsopoulos.

Eles descobriram que essas ondas de propagação, compostas pela atividade de centenas de neurônios, viajavam em diferentes direções pela superfície cortical com base na direção em que o macaco empurrava o joystick.

“É como uma série de dominós caindo”, disse Hatsopoulos. “Todos os padrões de ondas que vimos no passado não nos diziam o que o animal estava fazendo, apenas acontecia. Isso é muito empolgante porque agora estamos olhando para esse padrão de propagação de onda e mostramos que a direção da onda diz algo sobre o que o animal está prestes a fazer.”

Os resultados fornecem uma nova maneira de olhar para a função cortical. “Isso mostra que o espaço importa”, disse Hatsopoulos. “Em vez de apenas olhar para o que as populações de neurônios fazem e se preocupam, estamos vendo que há um padrão organizado espacialmente que carrega informações. Esta é uma maneira muito diferente de pensar sobre as coisas.”

A pesquisa foi desafiadora devido ao fato de que eles estavam estudando os padrões de atividade de movimentos individuais, em vez de fazer a média das gravações em tentativas repetidas, que podem ser bastante ruidosas. A equipe conseguiu desenvolver um método computacional para limpar os dados para fornecer clareza sobre os sinais registrados sem perder informações importantes.

Este estudo é a primeira evidência de que o recrutamento organizado espacialmente da atividade neuronal através do córtex motor pode informar detalhes de um movimento planejado. A imagem é de domínio público

“Se você fizer a média entre as tentativas, perderá informações”, disse Hatsopoulos. “Se quisermos implementar este sistema como parte de uma interface cérebro-máquina, não podemos calcular a média dos testes – seu decodificador precisa fazer isso em tempo real, conforme o movimento está acontecendo, para que o sistema funcione de maneira eficaz.”

Saber que essas ondas contêm informações sobre movimento abre as portas para uma nova dimensão de compreensão de como o cérebro move o corpo, o que pode, por sua vez, fornecer informações adicionais para os sistemas computacionais que conduzirão as interfaces cérebro-máquina do futuro.

“A dimensão espacial tem sido ignorada até agora, mas é um novo ângulo que podemos usar para entender a função cortical”, disse Hatsopoulos. “Quando tentamos entender os cálculos que o córtex está fazendo, devemos considerar como os neurônios são dispostos espacialmente.”

Estudos futuros examinarão se padrões de ondas semelhantes são vistos em movimentos mais complicados, como movimentos sequenciais em oposição ao simples alcance ponto a ponto, e se a estimulação elétrica do cérebro semelhante a ondas pode influenciar o movimento do macaco.

Financiamento: O estudo, “Propagação de padrões de atividade espaço-temporal através do córtex motor do macaco carrega informações cinemáticas”, foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01 NS111982). Autores adicionais incluem Karthikeyan Balasubramanianb e Vasileios Papadourakis da Universidade de Chicago.

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Sobre este movimento e as notícias da pesquisa em neurociência

Autor: Alison Caldwell
Fonte: Universidade de Chicago
Contato: Alison Caldwell – Universidade de Chicago
Imagem: A imagem é de domínio público

Pesquisa original: Acesso livre.
“A propagação de padrões de atividade espaço-temporal através do córtex motor do macaco carrega informações cinemáticas” por Wei Liang et al. PNAS


Resumo

A propagação de padrões de atividade espaço-temporal através do córtex motor do macaco carrega informações cinemáticas

A propagação de padrões neurais espaço-temporais é amplamente evidente nas áreas corticais sensoriais, motoras e de associação. No entanto, ainda não está claro se alguma característica da propagação neural carrega informações sobre detalhes comportamentais específicos.

Aqui, fornecemos a primeira evidência de uma ligação entre a direção da propagação cortical e as características comportamentais específicas de um próximo movimento em uma base de tentativa por tentativa.

Registramos potenciais de campo local (LFPs) de arranjos de múltiplos eletrodos implantados no córtex motor primário de dois macacos rhesus enquanto realizavam uma tarefa de alcance 2D. Os padrões de propagação foram extraídos dos envelopes da banda gama alta (200 a 400 Hz) ricos em informações na amplitude do LFP.

Descobrimos que a direção exata dos padrões de propagação variou sistematicamente de acordo com a direção inicial do movimento, permitindo previsões cinemáticas.

Além disso, as características desses padrões de propagação forneceram capacidade preditiva adicional além da própria amplitude do LFP, o que sugere o valor de incluir características espaço-temporais mesoscópicas no refinamento das interfaces cérebro-máquina.

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