Mapeamento mental: atividade cerebral do verme totalmente decodificada

resumo: Os pesquisadores conseguiram mapear a atividade neural do verme C. elegans, relacionando-a com seus comportamentos, como locomoção e alimentação.

Usando novas técnicas e metodologias, eles desenvolveram um atlas abrangente mostrando como a maioria dos neurônios do verme codifica suas várias ações.

Este estudo fornece uma visão complexa sobre como o sistema nervoso de um animal controla o comportamento. As descobertas, dados e modelos da equipe estão disponíveis no WormWideWeb.

Principais fatos:

1. O estudo usou um novo microscópio e um sistema de software que rastreia quase todo o comportamento do verme e a atividade de cada neurônio em sua cabeça.
2. A pesquisa revelou que os neurônios codificam comportamentos atuais e passados, permitindo que o verme entenda como suas ações passadas afetaram sua situação atual.
3. A descoberta importante foi que 30% dos neurônios que codificam o comportamento podem reconfigurar sua codificação de comportamento, adaptando suas funções com base em condições variáveis.

fonte: Instituto Piccoer para Aprendizagem e Memória

Para entender completamente a relação entre atividade cerebral e comportamento, os cientistas precisavam de uma maneira de mapear essa relação para todos os neurônios em todo o cérebro – um desafio até então insuperável.

Mas depois de inventar novas técnicas e métodos para isso, uma equipe de cientistas do Picower Institute for Learning and Memory do MIT produziu uma computação precisa dos neurônios no cérebro de uma pessoa humilde. C. elegans Um verme, mostrando como suas células cerebrais codificam quase todos os seus comportamentos básicos, como locomoção e alimentação.

no jornal célula, A equipe apresenta novas gravações no nível do cérebro e um modelo matemático que prevê com precisão as diversas maneiras pelas quais os neurônios representam os comportamentos do verme.

Aplicando esse modelo a cada célula especificamente, a equipe produziu um atlas de como a maioria das células codifica e os circuitos nos quais as ações do animal estão envolvidas. O atlas, portanto, revela a ‘lógica’ por trás de como o cérebro do verme pode produzir um repertório de comportamentos em evolução e flexível, mesmo quando suas condições ambientais mudam.

“Este estudo fornece um mapa global de como o sistema nervoso do animal é regulado para controlar o comportamento”, disse o autor sênior Stephen Flavell, professor associado do Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas do MIT.

“Isso mostra quantos dos gânglios específicos que compõem o sistema nervoso de um animal codificam características comportamentais sutis e como isso depende de fatores como a experiência recente do animal e a condição atual”.

Estudantes de pós-graduação Jungsoo Kim e Adam Atanas, que receberam seus PhDs nesta primavera para pesquisa, são os principais autores do estudo. Eles também disponibilizaram todos os seus dados, resultados de modelos e atlas gratuitamente para colegas pesquisadores em um site chamado WormWideWeb.

microscópios para modelos

Para fazer as medições necessárias para desenvolver seu modelo, o laboratório de Flavell inventou um novo microscópio e sistema de software que rastreia automaticamente quase todo o comportamento do verme (movimento, alimentação, sono, postura de ovos, etc.) e a atividade de cada neurônio dentro dele. . Cabeça (as células são projetadas para piscar quando os íons de cálcio se acumulam).

Distinguir neurônios discretos e rastreá-los de forma confiável à medida que o worm se contorce e dobra exigia a criação de um software personalizado, usando as ferramentas mais recentes de aprendizado de máquina. Mostrou-se 99,7% preciso na amostragem das atividades de neurônios individuais com uma melhoria significativa na relação sinal-ruído em comparação com sistemas anteriores, relatam os cientistas.

A equipe usou o sistema para registrar o comportamento sincronizado e os dados neurais de mais de 60 vermes enquanto caminhavam em torno de seus pratos, fazendo o que queriam.

A análise dos dados revelou três novas observações sobre a atividade neural no verme: Os neurônios rastreiam o comportamento não apenas no momento presente, mas também no passado recente. Eles ajustam sua codificação de comportamentos, como movimento, com base em uma surpreendente variedade de fatores; E muitos neurônios codificam simultaneamente muitos comportamentos.

Por exemplo, embora o comportamento de se contorcer em torno de uma pequena placa de laboratório possa parecer um ato muito simples, os neurônios respondem por fatores como velocidade, orientação e se o verme está comendo ou não. Em alguns casos, eles representavam o movimento de um animal abrangendo o tempo em cerca de um minuto.

Ao codificar o movimento recente, não apenas o movimento atual, esses neurônios podem ajudar o worm a calcular como suas ações passadas afetam seus resultados atuais. Muitos neurônios também combinam informações comportamentais para realizar manobras mais complexas.

Assim como um motorista humano deve se lembrar de dirigir o carro em marcha à ré, alguns neurônios no cérebro do verme integraram a direção do movimento do animal e a direção da direção.

Ao analisar cuidadosamente esses tipos de padrões de como a atividade neural se relaciona com os comportamentos, os cientistas desenvolveram C. elegans Modelo de codificação neural probabilística.

Encapsulado em uma única equação, o modelo explica como cada neurônio responde por diferentes fatores para prever com precisão se e como a atividade neural reflete o comportamento. Aproximadamente 60% dos neurônios na cabeça do verme já são responsáveis ​​por pelo menos um comportamento.

Ao ajustar o modelo, a equipe de pesquisa usou uma abordagem de modelagem probabilística que lhes permitiu entender a certeza de cada parâmetro do modelo apropriado, uma abordagem pioneira do coautor Vikash Mansingka, um dos principais cientistas que lidera o Projeto de Computação Probabilística no MIT .

fazendo um atlas

Ao criar um modelo que poderia determinar como qualquer célula cerebral representaria e preveria o comportamento, a equipe inicialmente coletou dados de neurônios sem acompanhar as identidades específicas das células. Mas o principal objetivo do estudo dos vermes é entender como cada célula e circuito contribui para o comportamento.

Assim, para aplicar a capacidade do modelo a cada um dos neurônios específicos do verme, todos previamente mapeados, o próximo passo da equipe foi correlacionar a atividade neural e o comportamento de cada célula no mapa.

Fazer isso requer nomear cada neurônio com uma cor única para que sua atividade possa ser vinculada à sua identidade. A equipe fez isso em dezenas de animais que se movem livremente, fornecendo-lhes informações sobre como quase todos os neurônios específicos na cabeça do verme se relacionam com o comportamento do animal.

O atlas resultante desse trabalho revelou muitos insights, mapeamento completo dos circuitos neurais que controlam o comportamento de todos os animais. Flavell disse que essas novas descobertas permitirão uma compreensão mais abrangente de como controlar esses comportamentos.

“Fomos autorizados a completar círculos”, disse ele. “Esperamos que, à medida que nossos colegas estudam aspectos da função do circuito neural, eles possam consultar este atlas para obter uma visão bastante completa dos principais neurônios envolvidos”.

Projetado para flexibilidade

Outro resultado importante do trabalho da equipe foi a descoberta de que, embora a maioria dos neurônios sempre obedeça às previsões do modelo, um grupo menor de neurônios no cérebro do verme – cerca de 30% daqueles que codificam o comportamento – foi capaz de remapear com flexibilidade sua codificação de comportamento, assumindo funções. Fundamentalmente novo.

Os neurônios desse grupo eram semelhantes de forma confiável entre os animais e estavam bem conectados uns aos outros no diagrama de fiação sináptica do verme.

Em teoria, esses eventos de remapeamento podem ocorrer por vários motivos, então a equipe realizou outros experimentos para ver se eles poderiam causar o remapeamento dos neurônios. Enquanto os vermes se contorciam em torno de suas placas, os pesquisadores aplicaram um zap a laser que aquecia o ágar ao redor da cabeça do verme.

O calor era inofensivo, mas suficiente para perturbar os vermes por um tempo, resultando em uma mudança no comportamento do animal que durou minutos. A partir dessas gravações, a equipe conseguiu ver que muitos neurônios reconfiguraram completamente sua codificação comportamental quando os animais trocaram de estado comportamental.

“As informações comportamentais são ricamente expressas em todo o cérebro em muitas formas diferentes – com sintonizações distintas, escalas temporais e níveis de plasticidade – que se ajustam às classes específicas de neurônios no cérebro. C. elegans rede neural”, escreveram os autores.

Além de Atanas, Kim, Mansingka e Flavell, outros autores do artigo são Xu Wang, Eric Bueno, McCoy Baker, Dee Kang, Jeongyeon Park, Talia Kramer, Flossy Wan, Saba Pasquello, Ugur Dag, Ilbeneke Kalogeropoulou, Matthew Gomez , Casey Estrem e Nita Cohen.

Financiamento: Fontes de financiamento de pesquisa incluem o National Institutes of Health, a National Science Foundation, a McKnight Foundation e o Alfred B. Sloan, e o Bequewer Institute for Learning and Memory, e a JPB Foundation.

Sobre esta notícia de mapeamento cerebral

autor: David Orenstein
fonte: Instituto Piccoer para Aprendizagem e Memória
comunicação: David Orenstein – Picquer Institute for Learning and Memory
foto: Imagem creditada a Neuroscience News

Pesquisa original: Os resultados aparecerão em célula