Exploring Brain Events to Gain a New Perspective on Brain Injuries and Disorders

Resumo: Um novo modelo cerebral explorou rajadas de atividade cerebral humana nunca antes estudadas. As explosões podem servir como potenciais biomarcadores para depressão, demência, esquizofrenia e TDAH.

Fonte: Universidade de Indiana

Usando um novo modelo de atividade cerebral, os neurocientistas computacionais da Universidade de Indiana Maria Pope, Richard Betzel e Olaf Sporns estão explorando explosões impressionantes de atividade no cérebro humano que não foram examinadas antes. Essas explosões podem ter potencial para servir como biomarcadores para doenças cerebrais e condições como depressão, esquizofrenia, demência e TDAH.

Ao analisar dados de neuroimagem humana, a equipe de pesquisa da IU descobriu pequenas explosões de atividade que formam “eventos” contínuos no cérebro e estão sempre ocorrendo, independentemente da atividade ou estado do cérebro. No decorrer de uma varredura cerebral de 10 minutos, esses eventos ocorrerão cerca de 10 a 20 vezes, cada um com duração de apenas alguns segundos, descobriram os pesquisadores.

“O que as pessoas não viram é que a forma como as regiões do cérebro conversam umas com as outras é pontuada por esses breves momentos que duram apenas alguns segundos, durante os quais muita coisa está acontecendo”, disse Olaf Sporns, que é Distinguished Professor e Robert H. Shaffer Chair. no Departamento de Ciências Psicológicas e do Cérebro da Faculdade de Artes e Ciências da IU Bloomington.

“Agora que os vemos, nos concentramos nesses momentos para obter uma imagem de como regiões específicas do cérebro se conectam e falam umas com as outras durante esses eventos”.

Para começar a investigar o funcionamento desses eventos misteriosos, a equipe construiu um modelo computacional. Liderada por Maria Pope, uma estudante de pós-graduação no laboratório de Sporns e dupla Ph.D. candidato em neurociência e informática, o grupo usou dados de neuroimagem de um cérebro humano para construir um modelo replicando suas conexões. O modelo foi então simulado em um estado semelhante ao do cérebro em repouso para criar sinais sintéticos de ressonância magnética, usando equações matemáticas que reencenam a atividade neuronal.

O modelo mostrou eventos semelhantes a explosões, assim como os observados nas gravações do cérebro humano.

O artigo descrevendo o modelo e descrevendo como ele se compara ao cérebro real foi publicado na edição de 16 de novembro da revista Anais da Academia Nacional de Ciências.

“O modelo nos mostra que esses eventos são guiados pela rede estrutural do cérebro”, disse Pope. “Eles estão ligados à estrutura física do cérebro.”

Mais especificamente, os eventos se originam em aglomerados de neurônios e regiões cerebrais densamente interconectadas e momentaneamente iluminadas juntas. Sporns comparou o padrão a uma orquestra tocando uma peça musical.

“Há momentos em que a orquestra se junta e há um tema. Eles não estão apenas tocando uma única nota por 10 minutos. Há breves momentos em que a atividade coordenada domina e em outros momentos pode haver muito menos”, disse Sporns.

“Esse fluxo e refluxo de coordenação é algo que também vemos no cérebro, e nosso modelo pode reproduzi-lo. Aglomerados de regiões cerebrais se combinam de maneiras diferentes. Não é apenas um padrão, mas várias variações de um tema.”

O resultado do novo modelo, sugeriu Sporns, é um potencial divisor de águas.

Isso mostra imagens do cérebro do estudo
Uma representação de um “evento” cerebral, conforme registrado com fMRI. Os quadros, com cerca de 6 segundos de intervalo, mostram sinais cerebrais correlacionados antes, durante e após uma breve explosão de atividade. Crédito: Universidade de Indiana

“A conectividade funcional tem sido um forte foco na pesquisa como um potencial biomarcador para distúrbios cerebrais e tem sido relacionada a condições como depressão, esquizofrenia, demência e TDAH. E os pesquisadores tentam há anos usar simulações cerebrais em aplicações clínicas para modelar lesões ou doenças”, disse Sporns. “Este novo modelo nos dá uma lente melhor através da qual podemos olhar para o cérebro, para ver mais claramente o que acontece em condições normais e anormais”.

Os pesquisadores agora estão investigando por que o cérebro humano emprega essas breves explosões de atividade.

“Talvez o cérebro tenha desenvolvido esse tipo de atividade porque é benéfico. Algo sobre a estrutura dos eventos pode ser útil para o cérebro”, disse Pope. “Por exemplo, muitos tipos de sistemas em rede precisam fazer atualizações ou redefinições ocasionais do sistema, pegando algum tipo de informação globalmente útil e comunicando-a ao resto do sistema.”

As respostas a essas perguntas podem ter implicações não apenas para a compreensão do cérebro, mas também para o estudo de redes neurais e inteligência artificial.

“Um mapeamento mais claro da estrutura e função no nível individual pode ter implicações em como diagnosticamos doenças neurológicas e levar a tratamento e intervenção personalizados”, disse Betzel, professor do Departamento de Ciências Psicológicas e do Cérebro da Faculdade de Artes e Ciências.

Sobre esta notícia de pesquisa em neurociência

Autor: Assessoria de Imprensa
Fonte: Universidade de Indiana
Contato: Assessoria de Imprensa – Universidade de Indiana
Imagem: A imagem é creditada à Universidade de Indiana

Pesquisa original: Acesso livre.
“Origens modulares de coflutuações de alta amplitude na dinâmica de conectividade funcional em escala fina” por Maria Pope, Makoto Fukushima, Richard F. Betzel e Olaf Sporns. PNAS


Resumo

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Origens modulares de coflutuações de alta amplitude na dinâmica de conectividade funcional em escala fina

A topologia das redes cerebrais estruturais molda a dinâmica cerebral, incluindo a estrutura de correlação da atividade cerebral (conectividade funcional) estimada a partir de dados de neuroimagem funcional.

Estudos empíricos mostraram que a conectividade funcional flutua ao longo do tempo, exibindo padrões que variam no arranjo espacial das correlações entre sistemas funcionais segregados.

Recentemente, uma decomposição exata da conectividade funcional em contribuições de quadro revelou dinâmicas de escala fina que são pontuadas por episódios (eventos) breves e intermitentes de coflutuações de alta amplitude envolvendo grandes conjuntos de regiões cerebrais. Sua origem é atualmente incerta. Aqui, demonstramos que episódios semelhantes aparecem prontamente in silico usando simulações computacionais da dinâmica de todo o cérebro.

Como nos dados empíricos, os eventos simulados contribuem desproporcionalmente para a conectividade funcional de longo prazo, envolvem a recorrência de coflutuações padronizadas e podem ser agrupados em famílias distintas. É importante ressaltar que a comparação de padrões de coflutuações relacionados a eventos com padrões subjacentes de conectividade estrutural revela que a organização modular presente na matriz de acoplamento molda padrões de coflutuações relacionadas a eventos.

Nosso trabalho sugere que eventos breves e intermitentes na dinâmica funcional são parcialmente moldados pela organização modular da conectividade estrutural.

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