Estudo revela conjunto de regiões cerebrais que controlam sequências complexas de movimento




As áreas de somatossensorial primário e principal do cérebro estão envolvidas no controle dos movimentos motores imediatos em tempo real, enquanto a área pré-motor parece controlar movimentos planejados e sequenciais, bem como reagir e ajustar a sequência quando confrontado com mudanças inesperadas.

Fonte: Johns Hopkins Medicine

Em um novo conjunto de experimentos com camundongos treinados para fazer uma sequência de movimentos e "mudar o curso" no impulso do momento, os cientistas da Johns Hopkins relatam ter identificado áreas do cérebro dos animais que interagem para controlar a capacidade de realizar movimentos complexos e sequenciais, bem como para ajudar os ratos a se recuperar quando seus movimentos são interrompidos sem aviso.

A pesquisa, dizem eles, poderia um dia ajudar os cientistas a encontrar maneiras de atingir essas regiões em pessoas e restaurar a função motora causada por lesões ou doenças.

Os resultados dos experimentos liderados pela Johns Hopkins foram publicados em 9 de março na Nature.


Com base nas medições de atividade cerebral dos roedores especialmente treinados, os pesquisadores descobriram que três áreas principais do córtex têm papéis distintos na forma como os ratos navegam através de uma sequência de movimentos: as áreas pré-motor, motor primário e somatosensorial primário.

Todos estão nas camadas superiores do cérebro dos mamíferos e organizados de forma fundamentalmente semelhante nas pessoas.

A equipe concluiu que as áreas de somatossensorial primário e principal estão envolvidas no controle dos movimentos imediatos dos camundongos em tempo real, enquanto a área pré-motor parece controlar toda uma sequência planejada de movimentos, bem como como os ratos reagem e se ajustam quando a sequência é inesperadamente interrompida.

À medida que os animais realizam movimentos sequenciais, dizem os pesquisadores, é provável que a área pré-motor envie sinais elétricos através de células nervosas especiais para as duas outras áreas do córtex sensorial, e mais estudos são planejados para mapear os caminhos desses sinais entre e entre as camadas corticais.


"Seja um olímpico praticando uma corrida de esqui em descida ou uma pessoa fazendo uma tarefa cotidiana, como dirigir, muitas tarefas envolvem sequências aprendidas de movimentos feitos várias vezes", diz Daniel O'Connor, Ph.D., professor associado de neurociência na Johns Hopkins University School of Medicine. O'Connor liderou a equipe de pesquisa.

Tais movimentos sequenciais podem parecer comuns e simples, diz ele, mas envolvem organização complexa e controle no cérebro, e o cérebro não deve apenas direcionar cada movimento corretamente, mas também organizá-los em uma série inteira de movimentos ligados.

Quando coisas inesperadas acontecem para interromper uma sequência contínua, diz O'Connor, o cérebro deve se adaptar e direcionar o corpo para reconfigurar a sequência em tempo real. A falha desse processo pode resultar em desastre — uma queda ou acidente de carro, por exemplo.

Neurocientistas estudam há muito tempo como os mamíferos compensam quando um movimento individual — como a busca de uma xícara de café — é interrompido, mas o novo estudo foi projetado para abordar os desafios de acompanhar o que acontece quando sequências complexas de vários movimentos devem ser reorganizadas em tempo real para compensar eventos inesperados.

No caso do esquiador olímpico, por exemplo, o esquiador espera realizar uma série planejada de movimentos para se aproximar e passar por portões ao longo de uma descida, mas provavelmente haverá momentos em que um obstáculo interrompe a trajetória do esquiador e força uma mudança de curso.

"Como o cérebro mamífero pode tomar uma sugestão sensorial e, quase instantaneamente, usá-lo para mudar completamente de uma sequência contínua de movimentos para outra permanece em grande parte um mistério." O'Connor trabalhou com Duo Xu, Ph.D., um ex-aluno de pós-graduação no laboratório de O'Connor, para projetar um conjunto de experimentos em camundongos para rastrear as regiões cerebrais que processam a sugestão de "mudar o curso".

Para o estudo, os pesquisadores criaram pela primeira vez um "curso" para camundongos que foram treinados para escoar suas línguas e tocar uma "porta" — um tubo de metal. Quando os investigadores mudaram o porto, os ratos aprenderam a tocar a porta novamente. Durante o período do curso, quando o porto foi movido para sua localização final, os ratos que a tocaram com suas línguas receberam uma recompensa. Todo esse treinamento foi feito para simular uma sequência repetida e esperada de movimentos aprendidos, assim como a descida do esquiador.

Para estudar como uma sugestão inesperada pode levar o cérebro a mudar de curso, os pesquisadores fizeram com que os ratos realizassem o que os cientistas chamam de "teste de retrocesso". Em vez de mover a porta para o próximo local em sequência, os pesquisadores mudaram a porta para um local anterior, de modo que quando os ratos estenderam suas línguas, eles não conseguiram encontrar a porta, levando-os a inverter o curso, encontrar a porta e progredir através do curso para obter o tratamento.

"Cada sequência de lambidas de porta envolve uma série de movimentos complexos que o cérebro do mouse precisa para se organizar em um plano de movimento e, em seguida, executar corretamente, mas também para se reorganizar rapidamente quando eles descobrem que o porto esperado não está lá", diz O'Connor.

Durante os experimentos, os pesquisadores usaram eletrodos cerebrais para rastrear e registrar sinais elétricos entre neurônios no córtex sensorial, que controla o movimento geral. Um aumento na atividade elétrica corresponde ao aumento da atividade cerebral.

Como muitas áreas do córtex poderiam ser ativadas quando os camundongos se moviam pelo curso do experimento, os pesquisadores usaram camundongos criados com células cerebrais geneticamente modificadas que, em certas partes do córtex, podem ser seletivamente "silenciados" ou desativados. Assim, os cientistas poderiam restringir a localização das áreas cerebrais diretamente envolvidas nos movimentos.

"Os resultados fornecem uma nova imagem de como uma hierarquia entre redes neurais no córtex sensorial está gerenciando movimentos sequenciais", diz O'Connor. "Quanto mais aprendemos sobre essas redes neurais interativas, melhor estamos para entender a disfunção sensorial em humanos e como corrigi-la."

Além de Xu e O'Connor, os seguintes cientistas da Johns Hopkins contribuíram para a pesquisa: Mingyuan Dong, Yuxi Chen, Angel Delgado, Natasha Hughes e Linghua Zhang.

Financiamento: A pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01NS089652, 1R01NS104834-01, P30NS050274).


Author: Vanessa Wasta Source: Johns Hopkins Medicine Contact: Vanessa Wasta – Johns Hopkins Medicine

Original Research: Closed access. “Cortical processing of flexible and context-dependent sensorimotor sequences” by Daniel O’Connor et al. Nature


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