Como o mPFC e o Hipocampo Interagem Durante a Aprendizagem

O hipocampo é uma área crucial do cérebro que ajuda na navegação espacial. Pesquisadores descobriram que um tipo de célula chamada células de lugar no hipocampo disparam em padrões específicos quando os animais se movem pelo ambiente. Essas células ficam ativas durante certos padrões de ondas cerebrais conhecidas como oscilações teta, que ocorrem a cerca de 8 Hz. Curiosamente, esses padrões também podem ser "reproduzidos" durante breves explosões de atividade cerebral chamadas ripples de onda aguda (SWRS), especialmente quando o animal está parado ou dormindo. O propósito desses padrões de replay ainda está sendo estudado. Alguns pesquisadores sugerem que eles podem ajudar a prever comportamentos futuros ou refletir experiências passadas, enquanto durante o sono, podem desempenhar um papel na consolidação de memórias.

Há uma teoria de que o hipocampo compartilha informações com outras áreas do cérebro durante esses eventos de SWR. Acredita-se que essa troca seja vital para a aprendizagem espacial. Estudos também mostraram que certos Neurônios em uma parte do cérebro chamada córtex pré-frontal medial (MPFC) respondem a esses eventos de SWR. Alguns desses neurônios aumentam sua atividade, enquanto outros diminuem. Se essa atividade é interrompida, parece atrasar a velocidade com que os animais podem aprender novas regras espaciais.

O mPFC tem diferentes regiões, cada uma com papéis específicos em vários tipos de memória e tarefas cognitivas. No entanto, tem sido difícil perceber como essas regiões diferem devido à proximidade entre elas. Alguns pesquisadores argumentam que essas áreas na verdade funcionam mais como um continuum do que como unidades separadas. O papel exato de uma dessas áreas, chamada córtex prelimbico (PLC), ainda está sendo debatido, com sugestões para dividi-la em duas partes com base em sua relação com outras regiões.

#Modulação de SWR no mPFC

Os neurônios no mPFC podem ser influenciados pela atividade das células de lugar do hipocampo durante os SWRs. Alguns estudos descobriram que quando o hipocampo está ativo, o mPFC mostra mudanças na atividade dos neurônios que poderiam prever ações futuras. Essa modulação é geralmente mais forte quando os animais estão em repouso do que quando estão dormindo, sugerindo funções distintas para esses dois estados.

As células no mPFC que respondem aos SWRs costumam se alinhar ao disparo rítmico observado no hipocampo durante a exploração ativa. No entanto, parece que o mPFC está menos focado em espaços específicos do que o hipocampo. Foi mostrado que eventos de replay também podem acontecer no mPFC, mas ainda há debate sobre como eles se relacionam com o hipocampo. Alguns estudos descobrem que os eventos de replay no mPFC acontecem ao mesmo tempo que os eventos no hipocampo, enquanto outros sugerem que ocorrem separadamente.

Durante o sono, os eventos de replay no mPFC parecem estar ligados a experiências espaciais passadas aprendidas pelo animal. Isso indica que pode haver alguma conexão seletiva entre a atividade do mPFC e as experiências armazenadas no hipocampo. Além disso, os neurônios do mPFC modulados pelos SWRs tendem a ser menos específicos em relação ao espaço do que aqueles no hipocampo, sugerindo que seus papéis podem não estar diretamente ligados à navegação espacial.

#Visão Geral do Estudo

Em um estudo recente, os pesquisadores usaram técnicas avançadas de gravação para monitorar a atividade do mPFC e do hipocampo em ratos enquanto eles se envolviam em uma tarefa de navegação espacial. Eles tinham como objetivo diferenciar entre os padrões de disparo das células moduladas pelos SWRs e aquelas que não eram. Os resultados sugerem dois grupos de neurônios no mPFC: um que está intimamente ligado ao hipocampo e outro que está mais envolvido na tomada de decisões.

#Design Experimental

O estudo incluiu seis ratos machos da linhagem Long Evans, que foram implantados com dispositivos especializados para monitorar a atividade cerebral enquanto se moviam em um labirinto projetado para testar suas habilidades de navegação espacial. Esses dispositivos permitiram a coleta de dados do mPFC e do hipocampo simultaneamente.

Antes dos experimentos principais, os ratos passaram por uma série de sessões de treinamento para se familiarizarem com o labirinto. Nessas sessões, eles precisavam aprender várias regras para navegar pelo labirinto e receber recompensas. O design incluiu tanto estratégias alocêntricas (onde o animal usava uma compreensão do labirinto semelhante a um mapa) quanto estratégias baseadas em pistas (onde pistas específicas indicavam a direção correta).

#Resultados: Atividade Neuronal do mPFC

Os pesquisadores descobriram que um subconjunto de neurônios do mPFC foi ativamente influenciado pelos SWRs do hipocampo. Cerca de 14% desses neurônios aumentaram sua atividade após eventos de SWR, enquanto cerca de 5% mostraram atividade reduzida. A maioria dos neurônios no mPFC, cerca de 81%, não mostrou modulação ligada a esses eventos de SWR.

Além disso, os neurônios do mPFC que foram modulados pelos SWRs tinham uma maior probabilidade de alinhar seus padrões de disparo com o ritmo das ondas teta do hipocampo. O estudo confirmou que essa relação se manteve tanto nas partes dorsal quanto ventral do mPFC. No entanto, houve algumas diferenças em como os neurônios nessas duas sub-regiões responderam.

A pesquisa indicou que os neurônios no mPFC ventral foram mais fortemente influenciados pelos SWRs em comparação com os do mPFC dorsal. Além disso, neurônios que não foram modulados pelos SWRs mostraram atividade notável durante momentos cruciais de tomada de decisão, sugerindo que eles desempenham um papel vital em como as decisões espaciais são feitas.

#Mapeamento Espacial e Seletividade Direcional

Pesquisas mostraram que neurônios no mPFC contribuem para codificar informações espaciais. O estudo descobriu que neurônios não influenciados pelos SWRs do hipocampo tinham pontuações de ajuste espacial mais altas em comparação com neurônios modulados por SWRs. Isso sugere que esses neurônios não modulados são mais eficazes em ajudar o animal a navegar pelo ambiente.

Curiosamente, o estudo também avaliou como os neurônios respondiam com base na direção da cabeça do animal. Eles descobriram que uma porcentagem maior de neurônios não modulados por SWRs mostrava seletividade direcional. Isso significa que esses neurônios eram mais propensos a disparar quando a cabeça do animal estava orientada em uma direção específica, o que pode ser crucial para planejar ações futuras.

Ao examinar como o mPFC reage à direção da cabeça, os pesquisadores categorizaram os movimentos do animal em grupos distintos com base nas escolhas futuras e alternativas. A análise revelou que os neurônios não modulados por SWRs tinham pontuações de seletividade direcional mais altas do que os neurônios inibidos e excitados por SWRs, indicando papéis distintos em como o mPFC codifica informações sobre escolhas espaciais.

#Representações Preditivas na Tomada de Decisão

Um dos aspectos cruciais do estudo focou em como o mPFC poderia ser usado para prever escolhas futuras com base em experiências passadas. Os pesquisadores decodificaram informações espaciais a partir da atividade de disparo dos neurônios do mPFC durante o processo de tomada de decisão.

Eles descobriram que certas representações não locais no mPFC eram preditivas da escolha que viria. Isso significa que antes do animal tomar uma decisão, a atividade no mPFC poderia dar um toque sobre qual direção ele tomaria. Essa habilidade preditiva parecia ocorrer mesmo quando a regra ainda estava sendo aprendida, sugerindo um papel importante para o mPFC em guiar os processos de tomada de decisão.

Além disso, as representações não locais no mPFC estavam ligadas à escolha do animal, revelando uma potencial coordenação entre essa área e o hipocampo. Enquanto o hipocampo mostrava uma relação clara com os SWRs, as representações do mPFC não estavam fortemente ligadas a esses eventos, indicando que poderiam operar de forma independente na hora de fazer previsões baseadas em experiências aprendidas.

#Comparação das Representações do mPFC e do Hipocampo

Os pesquisadores também compararam como o mPFC e o hipocampo representavam escolhas futuras. Eles descobriram que as representações no hipocampo estavam mais intimamente ligadas a eventos de SWR e exibiam uma pontuação de fase de bloqueio mais alta em relação às oscilações teta durante o processo de tomada de decisão.

Em contraste, as representações não locais preditivas no mPFC não mostraram ligações significativas aos SWRs do hipocampo ou à fase teta, sugerindo que, embora ambas as regiões estejam ativas na tomada de decisão, seus papéis e mecanismos podem diferir. O hipocampo parecia estar mais ligado ao tempo dos eventos de SWR, enquanto o mPFC oferecia uma abordagem mais flexível para prever ações futuras.

#Conclusões e Direções Futuras

O estudo sugere que existem duas populações distintas de neurônios no mPFC, cada uma desempenhando papéis únicos na aprendizagem espacial e na tomada de decisão. A primeira população é influenciada pela atividade do hipocampo, enquanto o segundo grupo opera de forma mais independente. Os neurônios modulados por SWRs parecem ser importantes para integrar informações do hipocampo, mas não são necessariamente responsáveis pelo mapeamento espacial. Em contraste, os neurônios não modulados parecem ser cruciais para a tomada de decisão, com propriedades de ajuste espacial mais altas e responsividade à direção da cabeça.

Essas descobertas abrem novas questões sobre como essas duas populações de neurônios do mPFC interagem e contribuem para a aprendizagem e memória. Pesquisas futuras poderiam explorar os mecanismos específicos que fundamentam essas interações e como elas influenciam a tomada de decisão em tarefas espaciais. Explorar essa dinâmica poderia levar a uma melhor compreensão de como diferentes regiões do cérebro trabalham juntas para navegar em ambientes complexos e fazer escolhas informadas.