Estudo mostra que neurônios do córtex de camundongos são generalistas, não especialistas

Um novo estudo aponta que a maioria dos neurônios no córtex de camundongos não funciona como especialista. Em vez disso, essas células tendem a reagir a uma variedade ampla de sinais.

Em vez de cada neurônio se fixar numa única função, a grande maioria lida com vários sinais ao mesmo tempo, combinando o que o animal enxerga com aquilo que decide fazer.

O achado ajuda a encerrar uma parte de uma discussão antiga sobre como o cérebro organiza e representa informações.

Também sugere que a aparente “bagunça” do cérebro traz uma vantagem prática: circuitos simples conseguem extrair um número enorme de decisões a partir das mesmas células.

Um debate de décadas

Por muitos anos, a neurociência se apoiou na noção do neurônio especializado.

No córtex visual, por exemplo, algumas células respondem apenas a linhas numa determinada inclinação, enquanto as chamadas células de lugar no hipocampo disparam somente quando o animal está num local específico.

Respostas limpas e focadas, de propósito único, viraram o modelo de como o cérebro codifica o mundo.

Só que esse retrato organizado nunca encaixou em tudo. Em regiões ligadas ao pensamento e à escolha, neurônios individuais respondem a combinações embaralhadas de fatores ao mesmo tempo - uma característica conhecida como seletividade mista.

Stefano Fusi, professor de neurociência na Columbia University, vem defendendo há anos que essa diversidade é uma qualidade, e não um incômodo.

Decisões não envolvem neurônios especialistas

Para colocar isso à prova com dados quantitativos, a equipe analisou mais de 14,000 neurônios registrados em 43 áreas do córtex de camundongos durante uma tarefa de tomada de decisão.

O experimento era direto. Um padrão listrado surgia à esquerda ou à direita de uma tela, e o camundongo girava uma pequena roda para arrastá-lo até o centro e ganhar um gole de água.

Em praticamente todas as regiões, os neurônios não aceitaram se separar em grupos organizados de especialistas.

Apenas algumas áreas sensoriais primárias - os primeiros “pontos de entrada” para visão, audição e tato - exibiram células que se agrupavam em tipos bem definidos.

No restante do córtex, as respostas se misturavam, sem fronteiras nítidas entre um tipo de neurônio e outro. O resultado entra no coração de uma controvérsia real.

Aproximar e afastar o olhar

A especialização não some por completo. Ela apenas aparece em uma escala maior.

Quando os pesquisadores deixaram de observar neurônios dentro de uma única região e reuniram células do córtex inteiro, categorias claras voltaram a surgir.

Esses agrupamentos em larga escala acompanhavam a forma como o cérebro é conectado. Neurônios de áreas próximas entre si na hierarquia cortical tinham perfis parecidos, enquanto áreas distantes exibiam respostas diferentes.

As assinaturas eram distintas a ponto de um decodificador, ao receber o perfil de resposta de um único neurônio a partir do conjunto de dados público, conseguir estimar de qual região ele vinha com acurácia maior do que a esperada pelo acaso.

Assim, os dois lados do antigo debate estavam parcialmente certos. Ao aproximar o foco e olhar uma região específica, os neurônios se parecem mais com generalistas do que com especialistas; cada um contribui um pouco para várias coisas.

Ao afastar o foco para o córtex como um todo, os “especialistas” reaparecem, alinhados à anatomia do cérebro.

Por que a “bagunça” ajuda

Essa diversidade traz um retorno funcional. Quando os neurônios de uma área respondem cada um de um jeito ligeiramente diferente, o conjunto espalha sua atividade em muitas direções ao mesmo tempo, em vez de concentrá-la em poucas.

Um padrão tão distribuído é fácil de ser lido.

Até um circuito simples adiante consegue traçar uma linha de separação direta e responder a quase qualquer pergunta do tipo sim-ou-não sobre o que o animal viu, escolheu ou esperava.

E essa flexibilidade aumentava junto com a diversidade ao longo do córtex.

A distância entre áreas era grande. Uma região do focinho sensível ao toque codificava apenas 5 situações distintas, enquanto uma área superior ligada ao planejamento motor dava conta de todas as 16 que a tarefa permitia.

Ainda assim, quando condições sobrepostas eram unificadas, quase todas as regiões conseguiam diferenciar quase qualquer agrupamento de situações. Isso ecoa os resultados de um trabalho anterior que não encontrou categorias fixas no cérebro de um rato.

Neurônios generalistas permitem flexibilidade

O ganho central é a flexibilidade. Um cérebro que mantém seus neurônios diversos pode, em princípio, aprender a dividir o mundo de maneiras novas sem precisar refazer suas conexões.

Isso ocorre porque a matéria-prima para uma nova distinção já está presente nessa distribuição de respostas.

Neurônios muito especializados e agrupados custariam menos para operar, mas seriam bem mais rígidos.

O que antes parecia nebuloso agora pode ser medido. Em uma grande faixa do córtex, neurônios individuais são variados em vez de encaixotados, e a especialização que existe aparece entre regiões, não dentro delas.

A velha pergunta do tipo “ou isto ou aquilo” era, no fundo, a pergunta errada - porque a resposta depende inteiramente da escala usada para observar.

Neurônios carregam uma diversidade de respostas

O resultado também serve de alerta para quem interpreta dados cerebrais.

Como esses padrões ricos permitem decodificar quase qualquer variável a partir de quase qualquer área, o simples fato de um sinal poder ser extraído de uma região diz pouco sobre o que essa região realmente faz.

Decodificar algo deixou de ser prova de que uma área do cérebro “se importa” com aquilo. E essa implicação vai além do laboratório.

Professor Fusi has long wanted to build machines that compute the way the brain does.

This kind of diverse, distributed coding may help explain why brains handle messy, ever-changing tasks so well.

As células que antes pareciam apenas ruído podem estar mais próximas do verdadeiro desenho do cérebro.