Un fenomen cheie studiat de neurologi este capacitatea creierului de a recunoaşte greşelile atunci când acestea apar, de a le corela cu comportamentul asociat şi de a utiliza aceste greşeli într-un mod care modifică comportamentul.
Obiectivul general este acela de a îmbunătăţi rezultatul dorit obţinut în urma angrenării în acel comportament. Două metode de cuantificare neuronală - activarea cortexului cingulat anterior dorsal (CCA), uneori numit şi cortex frontal medial (CFM) prin tehnica negativismului asociat greşelii (NAG) şi prin RMN funcţional asociat greşelilor (fRMN) - s-au remarcat în timp prin capacitatea de a reflecta acelaşi proces neuronal subiacent. Recent, cu toate acestea, concluziile oamenilor de ştiinţă de la Massachusetts General Hospital, instituţie afiliată la Harvard Medical School, au sugerat că NAG este localizat diferenţiat la nivelul cortexul cingular posterior (CFM).
Creierul poate corecta greşelile. Perspective noi în neurobiologia comportamentului de adaptare
Conducătorul acestui studiu, autorul Yigal Agam şi alţi cercetători precum Matti S. Hämäläinen, Adrian KC Lee, Kara A. Dyckman, Jesse S. Friedman, Marlisa Isom, Nikos şi Makris care fac parte din Manoach Lab condus de S. Manoach Dara – s-au confruntat cu o serie de provocări atunci când au pus la îndoială ideea deja acceptată. "Activarea cortexului cingulat anterior dorsal (CCA, uneori numit şi cortex frontal medial) prin intermediul negativităţii asociate greşelii (NAG) şi a RMN-ului funcţional corelat cu greşeli (fRMN) a beneficiat de o atenţie deosebită din moment ce potenţialul neuronal se corelează cu învăţarea din greşeli, care este fundamentală pentru comportamentul adaptiv", explică Agam. "Cele mai multe teorii ale procesării greşelii presupun că o abatere este echivalentă cu cealaltă - că acestea reflectă acelaşi proces neuronal subiacent - însă foarte puţine studii au încercat să analizeze în mod direct această ipoteză. De fapt, atunci când am analizat cu atenţie studiile anterioare legate de NAA, deşi multe studii au constatat locuri sursă care se aflau la periferia sau posterior de girusul cingulat anterior, s-a presupus existenţa unei surse la nivelul girusului cingulat anterior "Această observaţie a determinat echipa să examineze mai îndeaproape NAG şi relaţia sa cu activarea fRMN - şi acest lucru a necesitat colectarea de date de la aceiaşi subiecţi care efectuează aceeaşi activitate, atât în timpul scanării RMN, cât şi în timpul înregistrării EEG (electroencefalogramei) şi MEG (magnetoencefalografiei).
(A) Conexiunea funcţională a CFM (cortex frontal medial). Planurile statistice sunt proiectate pe suprafaţa corticală a exemplarului de creier. CFM şi CFM (cortex cingular posterior) dorsale sunt reprezentate cu negru şi centrele regiunilor selecţionate sunt marcate ca puncte negre. Activarea zonelor selecţionate ale CFM atât în stânga (superior), cât şi în dreapta (inferior), corelate cu activarea CFM dorsal. Culorile calde şi reci indică corelaţii pozitive şi respectiv negative.
(B) Relaţia dintre integritatea microstructurală a materiei albe măsurată cu ajutorul angiografiei cu fluoresceină a mănunchiului de fibre cingulare şi latenţa auto-corecţiei greşelilor. Imaginile arată planul statistic al corelaţiei. Imagine de importanţă maximă în plan coronal şi sagital a voxelului. Pachetul cingulumului este evidenţiat în alb.
credit imagine: PNAS, doi:10.1073/pnas.1103475108
Agam subliniază că datele diferite legate de activitatea creierului relevată prin fMRI comparativ cu cele obţinute prin intermediul electroencefalografiei (EEG) şi magnetoencefalografiei (MEG) reprezintă un alt element de dificultate atunci când vine vorba de interpretarea concluziilor. Este vorba despre date referitoare la capacitatea de oxigenare a sângelui vizualizată prin fMRI şi cea observată la nivelul câmpurilor electrice şi magnetice de pe scalp prin EEG / MEG, în cadrul studiului realizându-se o comparaţie între fMRI şi EEG, şi respectiv fMRI şi MEG. Cercetătorii au necesitat certificarea faptului că localizările diferite vizualizate prin tehnici diverse nu reprezentau de fapt artefacte.
Constatarea echipei îşi pune o amprentă negativă asupra dorinţei acesteia vizavi de modelele actuale care vizualizează activarea cortexului cingular dorsal anterior prin fRMN ca o reflexie hemodinamică a NAG. "Există dezbateri în literatura de specialitate cu privire la rolurile diferite ale CFM şi dacă acesta detectează sau nu greşelile", explică Agam. "O mare parte din dovezile conform cărora CFM detectează greşelile se bazează pe convingerea că NAG este un marker de detectare a greşelilor şi că acestea sunt generate de CFM. În timp ce activitatea CFM a fost intensă pentru greşelile care folosesc fMRI, răspunsul EEG / MEG la greşeli a fost mai precoce în CFM şi a corespuns cu cel al NAG. Aceste constatări ne obligă să regândim rolul acestor regiuni şi modul în care acestea acţionează împreună ca să putem răspunde acestora, să le putem corecta şi să învăţăm de pe urma lor."
O interpretare posibilă a rezultatelor lor este că CFM detectează greşeli, dă naştere la NAG şi apoi transmite informaţii eronate spre CFM pentru a pune în aplicare un comportament corectiv. În conformitate cu această formulare, activarea CFM reflectă o necesitate mai generală de a adapta comportamentul şi exercită controlul asupra răspunsurilor, mai degrabă decât să detecteze greşelile în sine. Prin urmare, modelele trebuie să fie revizuite pentru a reflecta această disociere a funcţiilor care prelucrează greşelile.
Pentru a obţine rezultatele proprii, portofoliul cercetătorilor numără o serie de perspective şi inovaţii. "Acesta este primul studiu care compară direct activarea NAG şi CFM la acelaşi grup de subiecţi care desfăşoară aceeaşi activitate," remarcă Agam. "Noi nu ştim dacă diferenţele din studiile anterioare au fost cauzate de variabilitate între subiecţi, atribuţii, design experimental şi aşa mai departe. Prin urmare, această întrebare poate fi abordată în mod eficient în cadrul unui studiu de imagistică multimodală cum este al nostru. "
Acest studiu este, de asemenea, primul care combină EEG cu MEG pentru a localiza generatorul NAG - un pas important, deoarece EEG şi MEG au calităţi diferite: spre deosebire de EEG, semnalele MEG nu sunt denaturate de craniu şi scalp – dar datorită naturii câmpului magnetic, MEG culege doar curenţi electrici paraleli cu scalpul. Ca urmare, EEG şi MEG sunt diferenţiat sensibile pentru surse neuronale cum sunt girusurile şi sulcusurile (încreţiturile şi respectiv şanţurile, de-a lungul suprafeţei corticale pliate). Combinând cele două metode obţinem o precizie mai bună decât folosind oricare dintre tehnici singură.
"Localizarea surselor EEG şi MEG este o afacere delicată, deoarece trebuie să estimăm sursa pe baza semnalelor înregistrate de la nivelul scalpului, continuă Adam." Aceasta este o problemă necorespunzător reprezentată, deoarece nu există nici o soluţie unică - multe combinaţii diferite ale surselor ar putea genera acelaşi rezultat dacă măsurătoarea este efectuată la nivelul scalpului. "Cu toate acestea, dacă luăm în considerare cunoştinţele noastre legate de modul în care sunt generate PER (potenţial event-related - ERP) - de către neuronii piramidali orientaţi perpendicular pe suprafaţa corticală şi folosim informaţii din anatomia creierului individual, numărul de soluţii posibile se poate reduce mult şi precizia estimării poate fi astfel îmbunătăţită. Pentru a stabili dimensiunile anatomice, am colectat imagini structurale RMN de înaltă rezoluţie de la fiecare subiect şi am folosit aceste informaţii pentru a estima locaţia sursă de la nivelul creierului."
Cercetătorii urmăresc modalităţile de a îmbunătăţi design-ul experimental actual. "O tehnologie promiţătoare este înregistrarea simultană a EEG şi fMRI," remarcă Agam. "Înregistrarea ambelor semnale în acelaşi timp, ne-ar permite să analizăm relaţia dintre NAG şi activarea fMRI prin compararea studiilor între ele, ceea ce ne-ar permite să examinăm modul în care variaţia unui marker de eroare îl afectează pe celălalt într-un mod dinamic, continuu precum şi modul în care aceştia răspund în cadrul fiecărui studiu. Înregistrarea simultană ar clarifica astfel relaţia lor şi funcţia acestora."
De asemenea, grupul intenţionează să utilizeze tomografia cu emisie de pozitroni (TEP) pentru a studia rolul dopaminei, un neurotransmiţător implicat în procesarea greşelii, în generarea acestor markeri. În plus, ei încearcă să extindă studiul actual prin încorporarea fMRI avansat bazat pe metode de analiză a conectivităţii pentru a afla cum acţionează împreună CPP şi CFM pentru a media diferite aspecte ale prelucrării greşelii. Mai mult decât atât, Agam susţine: "Multe grupuri de cercetare au realizat modelarea computaţională a procesării greşelii şi rezultatele noastre justifică cu siguranţă necesitatea reîndreptării eforturilor şi pe acest plan. Un model util de calcul trebuie să corespundă cu realitatea fiziologică şi sperăm că modelele de calcul ale prelucrării greşelilor vor fi revizuite pentru a reflecta rezultatele noastre în ceea ce priveşte diferitele regiuni implicate."
O gamă de aplicaţii vor beneficia de rezultatele grupului. "Din moment ce învăţarea din greşeli este esenţială pentru funcţionarea în lume şi multe afecţiuni neuropsihiatrice sunt caracterizate printr-un comportament rigid, repetitiv, care nu este receptiv la feedback-ul greşelii, înţelegerea bazei neuronale a procesării greşelii ar putea clarifica etiologia acestor tulburări şi sugera modalităţi de intervenţie", observă Agam." De exemplu, persoanele cu tulburare obsesiv-compulsivă (TOC), prezintă un NAG crescut comparativ cu persoanele sănătoase. O teorie promovată de Roger Pitman în 1980 este că TOC este caracterizată prin semnale de eroare persistentă şi disconfort, care apar chiar şi după răspunsuri corecte, iar acest lucru conduce obligatoriu la comportamente repetitive sau compulsive, în încercarea de a reduce ineficienta semnalizare a greşelii. "Această idee de semnalizare hiperactivă şi inadecvată este în perfectă concordanţă cu tabloul clinic al TOC: chiar dacă persoana ştie că a închis uşa, ceea ce de altfel intenţiona să facă, simte nevoia acută de a verifica în mod repetat că aceasta este închisă.
Alte afecţiuni sunt asociate cu diferite tipuri de anomalii ale semnalizării greşelii, adaugă Agam. "De exemplu, persoanele cu schizofrenie prezintă atenuarea NAG şi au probleme cu învăţarea din greşeli atunci când desfăşoară activităţi cognitive. Dacă, aşa cum noi propunem ca teorie, diferite funcţii legate de învăţare prin abatere sunt anatomic disociate, atunci deficitele funcţionale ar putea fi disociate de asemenea."
În ceea ce priveşte următorii paşi ai cercetării lor, echipa analizează în prezent datele lor de eroare provenind de la trei grupuri clinice diferite (cu schizofrenie, autism şi TOC), comparându-le cu cele ale unor persoane sănătoase şi încearcă să coreleze anomaliile cu caracteristicile clinice ale acestor tulburări. "Suntem, de asemenea, interesaţi de rolul dopaminei în procesarea greşelii" adaugă Agam "şi studiem în prezent rolul variantelor genetice specifice care controlează funcţia dopaminergică a semnalelor neuronale ale greşelii. Ulterior, intenţionăm să utilizăm PET pentru a analiza activitatea receptorilor de dopamină şi să utilizăm metode avansate de analiză pentru a studia interacţiunile dintre regiuni diferite ale creierului în timpul prelucrării greşelii. Mai mult, sperăm să utilizăm simultan înregistrări EEG şi fMRI pentru a înţelege mai bine interacţiunile dintre CCP şi CFM în timpul prelucrării greşelii."
Traducere după error-correcting-brain-insights-neurobiology-behavior, cu acordul editorului.
Traducător: Ecaterina Pavel
