Post#003 Circuitos neurais paralelos de aprendizagem de comportamentos sequenciais

Essa e a terceira e ultima parte do artigo teorico publicado por Okihide Hikosaka e que ja foi discutido nos Posts #1 e #2.

Alem da analise dos dados dos experimentos de desativacao reversa com o uso do composto quimico conhecido como muscimol (aconselho ao leitor procurar mais detalhes omitidos aqui sobre a acao antagonista do muscimol na ativacao do neuronio, caso voce esteja interessado em realizar experimentos com animais), foi tambem analisada a atividade dos neuronions dos macacos enquanto estes realizavam o experimento praticando a tarefa 2x5. Talvez voce possa achar reduntante, mas ha varios motivos para realizar todos esses experimentos.

O principal motivo e confirmar que uma determinada area cerebral e realmente importante para certos processos de aprendizagem e controle dos movimentos. Nos experimentos coordenados por Hikosaka o foco principal foi estudar a aprendizagem de movimentos, mas outros grupos, principalmente o grupo liderado por Jun Tanji, entre outros, estudaram a funcao de certas areas do cerebro no sequenciamento de acoes, e descobriu por exemplo, que alguns neuronios ficam ativos antes da execucao de determinadas sequencias, e outros neuronios ficam ativos na execucao de determinados elementos da sequencia. Esse assunto vai ser um topico de posts futuros.

Nesse experimento foram implantados eletrodos para gravar a atividade de neuronios no nucleo estriado (no ingles: dorsal striatum) que e a parte dos ganglios de base que recebe conexao de outras areas do cerebro. Foram implantados eletrodos na regiao anterior e posterior do nucleo estriado (aconselho a ver a figura mostrando essas duas areas no Post#002). Existem diferencas de conexao anatomica entre essas duas areas, por exemplo, a parte anterior, tambem chamada de nucleo estriado associativo, recebe conexao de areas prefrontais que tem envolvimento em processos mais cognitivos como aprendizagem, raciocinio e planejamento, ao passo que a area mais posterior recebe conexao de areas pre-motoras e motoras que contem mapas somatotopicos (de regioes do corpo) e provavelmente desempenham papeis relacionados a memoria de movimentos.

Os resultados motraram que os neuronios na parte anterior do BG ficavam mais ativos quando os macacos estavam aprendendo novas sequencias de movimento (figura superior esquerda), mas a ativacao desses mesmos neuronios na area anterior diminuia quase que por completo quando sequencias previamente aprendidas eram executadas (figure superior direita). Um padrao inverso de ativacao foi encontrado em neuronios na regiao posterior do BG. Os neuronios nessa area nao ficavam ativos quando os macacos aprendiam novas sequencias (figure inferior esquerda), mas a ativacao desses neuronios aumentava significantemente quando os macacos executavam sequencias ja aprendidas (figure inferior direita).

Em ourtra serie de experimentos com seres humanos, usando ressonancia magnetica funcional (fMRI, equipamento similar a tomografia computadorizada, que permite identificar a ativacao de areas do cerebro quando as pessoas realizam movimentos, praticam jogos, etc.). Os individuos foram testados quando estavam dentro do fMRI scanner praticando a tarefa 2x5. Na figura abaixo voce ve a referencia do artigo publicado no Journal of Neuroscience (jornal de alto impacto na area de neurociencia e comportamento) e um resumo dos resultados. Na figure (a) e (b) voce ve a performance do um dos individuos que praticou a tarefa enquando a ativacao das areas do cerebro foi gravada. A performance desse individuo foi semelhante a dos macacos. Este individuo tambem aprensentou uma aparente transicao em estagios de aprendizagem. Voce pode observar que as primeiras tentativas sao bastante falhas e sem acertos (uma sequencia correta tinha que atingir o numero 10 no eixo y), um estagio intermediario onde existem acertos mas a performance ainda e falha com alguns erros, e um estagio avancado com uma performance perfeita, sem erros. A figura (b inferior) mostra o tempo de reacao.

Do lado direito da figure esta um esquema que eu fiz (para uma apresentacao) e que resume a mudanca no padrao de ativacao de algumas areas do cerebro. O cortex dorsolateral prefrontal esquerdo (left DLPFC) ficava ativo principalmente no estagio inicial de aprendizagem (early). Ja  essa mesma regiao do lado direito junto com a area motora suplementar (preSMA) ficavam ativas predominantemente tanto no estagio inicial quanto no estagio intermediario. No entanto, areas do cortex parietal (precuneus e sulco intra-parietal) fiavam ativas principalmente em periodos mais avancados de pratica. Esses resultados motram que houve uma transicao no padrao de ativacao, com as areas prefrontais ativas predominantemente em estagios iniciais, quando os individuos precisam de bastante raciocinio e atencao para aprender a sequencia correta, e apos o aprendizado correto da sequencia, areas do cortex parietal aparentemente assume o controle dos movimentos quando estes se tornam automaticos devido praticas repetidas.

Se voce leu o Post#002, voce pode notar que a area preSMA possui conexao com a area anterior da BG e essas duas areas sao conectadas com a area DLPFC. Portanto, Hikosaka concluiu que o circuito cerebral que liga as areas DLPFC>preSMA>antBG sao responsaveis por periods iniciais de aprendizagem e utilizam um sistema de coordenadas visuo-espaciais sendo altamente dependente de informacao do ambiente para o aprendizado de novas habilidades. Por outro lado, o circuito que liga o cortex parietal>SMA>posBG  e provavelmente responsavel pelo armazenamento de memorias motoras, utilizando um sistema de coordenadas motoras para o controle e geracao rapida de respostas motoras baseado em representacoes internas adquiridas ao longo da aprendizagem.

PS. Hikosaka foi um dos pioneiros no estudo de movimentos sequenciais e analise da funcao cerebral. Porem, muitos outros pesquisados tem estudados outros aspectos da aprendizagem motora, como aprendizagem explica e implicita, memoria declarativa ou de procedimentos, movimentos voluntarios ou habituais. Eu recomento ao leitor que procure os artigos de Julien Doyon, Scott Grafton, Richard Passingham, Jun Tanji, entre outros, para aprender mais sobre mecanismos neurais na aprendizagem de movimentos sequencias, que sera novamente tema desse blog em posts futuros.