Desvendando o tique-taque do relógio neural

A nossa capacidade para estimar tempo é importante para a nossa vida quotidiana. Sem ela não conseguiríamos gerar as previsões necessárias para a aprendizagem, ou até mesmo realizar algumas tarefas que exigem coordenação temporal, como falar ou andar. Mas como é que conseguimos estimar tempo? Será que existe um relógio algures no nosso cérebro que nos vai indicando quando devemos desempenhar determinadas funções? E se assim for, como é que esse relógio emerge da atividade efêmera das células do cérebro? Resultados recentes de neurocientistas do Centro Champalimaud suportam teorias que sugerem certos modos de atividade neural que poderão funcionar como um ‘relógio subjetivo’.

“Descobrimos que certas populações de neurónios de uma região do cérebro denominada estriado, que se sabe ser importante para comportamentos de estimativa de tempo, criam sequências de atividade que registam a passagem do tempo de forma a coincidir com estimativas subjetivas”, diz Joe Paton, Investigador Principal no Centro Champalimaud, e coordenador deste estudo.

Os investigadores conseguiram identificar este mecanismo testando ratos numa tarefa comportamental que requer que estes decidam se a duração de um intervalo temporal é superior ou inferior a 1,5 segundos. Em troca, os ratos ganhavam uma recompensa por cada decisão correta. Simultaneamente, os investigadores registavam a atividade de múltiplos neurónios no estriado.

“Descobrimos que a atividade dos neurónios poderia ser usada para codificar tempo”, diz Tiago Monteiro, investigador de pós-doutoramento no laboratório de Joe Paton e um dos autores do estudo. “Especificamente, percebemos que após a apresentação do som que marca o início do intervalo, havia um conjunto de neurónios no estriado que apresentava um padrão de atividade estereotípico semelhante a uma onda. Ao longo desta onda, certos neurónios estariam sempre ativos mais cedo enquanto outros estariam ativos mais tarde. Desta forma, e apenas seguindo a progressão da onda, podíamos dizer quanto tempo tinha passado desde o início do intervalo.”

Nos debates na comunidade científica, esta onda estereotípica de atividade figura como um dos principais modelos acerca da forma como o cérebro poderá registar a passagem de tempo. De acordo com este modelo, alguns neurónios encontram-se ativos primeiro, e outros mais tarde. Portanto, a passagem do tempo poderá ser inferida através da observação dos neurónios que estão ativos. Mas como é que os investigadores podem confirmar se o rato usa na realidade este relógio para estimar tempo?

“Para responder a esta questão, olhámos para o que acontece no estriado quando o animal toma decisões incorretas. É demasiado fácil para o rato saber que um intervalo de 2,5 segundos é mais longo que o intervalo referência de 1,5 segundos, mas o que acontecerá com 1,6 segundos? Este tipo de questão é muito difícil tanto para ratos como para humanos. Neste regime, o seu comportamento torna-se, por isso, mais variável. Ou seja, para uma mesma duração, algumas vezes o animal poderá categorizar a duração como longa, enquanto noutras poderá decidir que é curta. Não conseguimos prever quando é que isso acontecerá, mas podemos olhar para atividade neural e ver se os neurónios conseguem”, explica Tiago Monteiro.

E foi precisamente isso que os investigadores observaram. “Quando um rato categorizava incorretamente um intervalo de 1,6 segundos como curto, a atividade da população tinha em geral viajado uma distância menor que o normal. Pelo contrário, quando o intervalo 1,4 segundos era categorizado como longo, a atividade da população deverá ter viajado mais rapidamente”, explica Thiago Gouvêa, estudante de doutoramento no laboratório e coautor do estudo. “É como se este relógio neural esticasse ou encolhesse em conformidade com o tempo tal como percecionado pelo animal”.

Estes resultados indicam que a estimativa do rato sobre quanto tempo teria passado, assim como a decisão correspondente, poderá derivar da atividade desta população de neurónios.

“Esta é a primeira vez em que se demonstra a relação entre a velocidade de um ‘relógio neural’ e julgamentos de duração temporal. A questão que agora se coloca é como é que esta informação temporal é gerada e de que forma é que é precisamente usada para guiar o comportamento do animal”, conclui Joe Paton.

“Mas não acreditamos que exista um único relógio no cérebro. O tempo, tal como o espaço, é uma dimensão fundamental do ambiente. E, tal como no caso do espaço, deverão existir múltiplas representações do tempo ao longo do cérebro, presumivelmente apoiando as funções particulares de cada área. Os gânglios da base, dos quais o estriado faz parte, parecem estar envolvidos na seleção de ações e em aprender quais delas preveem bons resultados, e por isso, este ‘relógio’ que identificámos deverá ser útil para estas funções.”

Este estudo foi publicado dia 12 de Janeiro, 2016 na revista científica eLife: Thiago S Gouvêa, Tiago Monteiro, Asma Motiwala, Sofia Soares, Christian Machens, Joseph J Paton. (2016). Striatal dynamics explain duration judgments. eLife. http://dx.doi.org/10.7554/eLife.11386

Fundação Champalimaud