Mapeando o Cerebelo Humano Reformula as Funções Cerebrais Integrais

Novos mapas de topografia funcional do cerebelo humano poderiam ser um divisor de águas.

Fonte: Cortesia de Viking Adulto

Meu falecido pai, Richard Bergland, MD (1932-2007) publicou The Fabric of Mind em 1986. Para a capa do livro, o pai insistiu em uma visão de plano sagital; ele gostou de como esse ponto de vista elucida as principais regiões do cérebro dentro do chamado “globo craniano”. Muitas pessoas pensam erroneamente em nosso “cérebro” como sendo apenas os hemisférios cerebrais esquerdo e direito. Portanto, meu pai estava sempre ansioso para colocar o cerebelo muitas vezes esquecido e suas funções cerebelares no centro das atenções. A visão sagital facilita a visualização de onde o “pequeno cérebro” se encaixa em uma estrutura maior como parte da estrutura do cérebro inteiro.

Como o cerebelo é conhecido há muito tempo por coordenar o tempo e a precisão dos movimentos dos músculos fluídos, era importante posicionar as funções motoras do cerebelo como um ator central quando escrevi meu primeiro livro sobre otimizar a mentalidade atlética e o desempenho esportivo. Felizmente, meu pai já havia se aposentado e teve tempo para me ajudar a criar um modelo original de cérebro dividido voltado para atletas. (Para mais informações, “O Rachado-Cérebro: Uma Hipótese em Mudança”)

• Como prever o abuso narcisista
• Por que Decluttering é tão difícil
• Sentindo-se oprimido pela adversidade?
• Quem nós pensamos como sobreviventes da violação sexual?
• Quando você está infeliz no trabalho

Na introdução de The Athlete’s Way: Sweat e Biology of Bliss (2007), eu forneci algumas informações sobre a gênese desse modelo de cérebro dividido:

“Devo minha carreira de sucesso como atleta de resistência ao meu entendimento de psicologia e neurofisiologia, mas não sou cientista. Eu sou um atleta. Embora eu não tenha tido um treinamento formal em ciências, cresci com neurociência, já que meu pai é neurocirurgião e pesquisador neurocientífico. Quando eu estava crescendo, a neurociência era um tópico constante de conversação, e as discussões com meu pai continuaram ao longo dos anos. O Caminho do Atleta baseia-se na hipótese de que os seres humanos têm dois cérebros: um cérebro atlético de sentimento animal chamado cerebelo (em latim: cérebro pequeno) e um cérebro humano de pensamento e raciocínio chamado cérebro. “cérebro”). Meu pai e eu nos referimos a esse modelo cerebral como “cérebro para baixo”. O cérebro para cima é o cérebro, baseado em sua posição ao norte do meio do cérebro, que fica no meio do caminho entre os dois cérebros. O cerebelo é o cérebro para baixo, o hemisfério sul no globo craniano, por assim dizer, baseado em sua posição ao sul do meio do cérebro. Os nomes simples “brain-up brain” podem soar gramaticalmente incorretos, mas são uma resposta direta e convincente ao modelo split-brain dos anos 70 do “cérebro esquerdo-cérebro direito“. Eu cunhei os novos nomes nas primeiras conversas com meu pai sobre o diferenças entre o cérebro e o cerebelo, e gosto da nova terminologia por sua simplicidade ”.

Ao expor a paginação do meu manuscrito, pedi ao desenhista de livros da St. Martin’s Press para dedicar uma página inteira ao mapa cerebral cerebrum-cerebellum (abaixo) de uma visão sagital para que os leitores em geral pudessem visualizar o “andar de baixo”. arquitetura de todo o cérebro. Essa fatia do cérebro veio do laboratório de pesquisa do meu pai e espelhou a capa do The Fabric of Mind em algum grau.

• Como escrever um livro, parte 2
• Ingredientes-chave para novos hábitos
• Você tem medo de ser amado?
• Um Método de 5 Passos para Enfrentar a Auto-Conversa Negativa
• Pode fantasiar sobre o amor sempre ser suficiente?

Este mapa do cérebro ilustra as primeiras encarnações do “Bergland Split-Brain Model” e descreve vários papéis hipotéticos que cada região do cérebro pode desempenhar dentro de um sistema de córtex cerebral cerebelar interconectado. (Da p. 81 de “O Caminho do Atleta: Suor e a Biologia da Felicidade”)

Fonte: Foto e diagramação de Christopher Bergland (Circa 2007)

Com retrospectiva, meu mapa cerebral (acima) é embaraçosamente hipotético e desajeitado. Mas, suas imprecisões e generalizações servem a um propósito histórico como parte de uma linha do tempo: A razão pela qual estou compartilhando com você aqui é para ilustrar por que estou tão entusiasmada com o design elegante e os detalhes de tirar o fôlego dos últimos mapas de cerebelo humano criados por Xavier Guell, do MIT, juntamente com Jeremy Schmahmann, do Hospital Geral de Harvard em Harvard, Catherine Stoodley, da American University, e seus colegas.

Dito isso, antes de mergulhar na neurociência dos últimos mapas do cerebelo, há mais uma história narrativa em primeira pessoa e um mapa cerebral caseiro que quero compartilhar com você como parte de uma linha do tempo que coloca seu trabalho pioneiro no contexto.

Depois que meu pai morreu em 2007, eu prometi que manteria minha antena pronta para qualquer nova pesquisa do cerebelo e faria o melhor para resolver o enigma que ele colocava dizendo: “Não sabemos exatamente o que é o cerebelo. está fazendo. Mas, o que quer que esteja fazendo, está fazendo muito disso ”.

Porque eu não faço parte da academia e não pertenço a uma comunidade científica, a maioria das minhas idéias novas sobre o cerebelo são baseadas em observações e experiências de vida misturadas com uma miscelânea de evidências empíricas. Uma dessas observações-chave foi a ligação entre as atividades motoras bipedais e o pensamento criativo. Por exemplo, Albert Einstein disse famosamente de E = mc², “Pensei nisso enquanto andava de bicicleta.” Além disso, inúmeros escritores e pensadores visionários ao longo da história fizeram passeios diários uma parte integrante de seu processo criativo. Na minha opinião, sempre pareceu que o cerebelo deveria de alguma forma estar envolvido no fenômeno da atividade motora, facilitando o pensamento divergente e eureka! momentos.

Como um triatleta que se tornou escritor depois de se aposentar de competições esportivas na meia-idade, eu sabia, por experiência direta, que correr, andar de bicicleta e nadar me ajudou a processar a linguagem de forma mais fluida. Sempre que eu estava trabalhando, frases e várias combinações de palavras do que eu estava escrevendo como um rascunho daquele dia pareciam se transformar em consciência, como um fluxograma. Além disso, sempre que eu estava em um estado de sonhar acordado durante o exercício aeróbico, encontrei-me ligando os pontos de idéias aparentemente não relacionadas de maneiras que não aconteciam quando eu estava sentado em minha mesa e não envolvido em alguma forma de moderada a vigorosa. atividade física. (Para mais veja, “The Neuroscience of Imagination”.)

Um dia, em 2009 (com todas essas idéias sobre uma possível ligação entre a função cerebelar e as “origens da imaginação” flutuando na minha cabeça), encontrei uma amiga poeta chamada Maria na rua. Durante nossa conversa sobre o misterioso elo entre os avanços criativos e as tarefas motoras bipedais, ela disse: “Sempre que eu começo a mover meus braços e pernas para trás e para frente no elíptico, a poesia flui de mim.” De repente, dentro de milissegundos de Maria pronunciando essas palavras. , Eu tive um ” aha! Momento e visualizou um mapa do cérebro que mostrava simultaneamente os dois hemisférios do cérebro e ambos os hemisférios do cerebelo, a partir da visão de um olho de pássaro, esmagados em um único plano. Então, corri para casa e desenhei o mapa que você vê abaixo o mais rápido que pude. Embora essa não seja uma visão sagital, ela possibilitou ao espectador ver simultaneamente ambos os hemisférios do cérebro e ambos os hemisférios do cerebelo como parte de nossa arquitetura de todo o cérebro. (Para mais informações, “Cerebro-Cerebellar Circuits nos lembra: saber não é suficiente.”)

Este mapa cerebral topográfico do circuito “cerebro-cerebelar” ilustra a importância de otimizar a conectividade funcional contralateral entre os dois hemisférios cerebrais e os dois hemisférios cerebelares.

Fonte: Foto e Ilustração de Christopher Bergland (Circa 2009)

A essência do mapa do cérebro inteiro acima foi inspirada pela minha hipótese baseada na experiência de que pensamentos e idéias podem se apoiar nas redes de conectividade funcional de feedforward e feedback entre todos os quatro hemisférios do cérebro durante atividades motoras aeróbicas.

Embora eu tenha desenhado este mapa em 2009, eu não sabia que, ao mesmo tempo, Jeremy Schmahmann e Catherine Stoodley tinham acabado de publicar o que viria a ser um artigo marcante: “Topografia Funcional do Cerebelo Humano: Uma Meta-Análise de Neuroimagem Studies ”(2009), que foi seguido em 2010 pelo artigo“ Evidence for Topographic Organization in the Cerebellum of Motor Control vs. Processamento Cognitivo e Afetivo ”.

Através das lentes dos mapas inovadores do cerebelo humano, os últimos meses foram potencialmente devastadores. Primeiro, o mais recente “Manual de Neurologia Clínica” (volume 154, 3ª Série) inclui o mapeamento do cerebelo de Stoodley e Schmahmann: “Capítulo Quatro – Topografia Funcional do Cerebelo Humano”, que foi publicado online em 11 de junho de 2018.

Os autores resumem a importância desses mapas cerebrais no resumo do estudo, “Acumular evidências aponta para um papel crítico para o cerebelo humano em ambos os comportamentos, motor e não motor. Um princípio fundamental dessa nova compreensão da função cerebelar é a existência de sub-regiões funcionais dentro do cerebelo que apoiam diferencialmente comportamentos motores, cognitivos e afetivos. A existência de topografia conectional e funcional do cerebelo fornece o substrato anatômico crítico para o papel do cerebelo nas funções motoras e não motoras. Ele também estabelece uma estrutura para interpretar os padrões de ativação cerebelar, os resultados cognitivos e comportamentais após o dano cerebelar e as diferenças estruturais e funcionais do cerebelo relatadas em uma série de transtornos neurodesenvolvimentais e neuropsiquiátricos. ”

Legendas das fotos do @MIINDLinkFound no Twitter 10 de julho de 2018: “Novo volume no cerebelo pelos colegas Mario Manto (Bélgica) e Thierry Huisman (Baltimore). Grande line up de capítulos. É bom escrever novamente com a ex-pós-doutoranda Catherine Stoodley (Universidade Americana) sobre a topografia funcional do cerebelo. ”

Fonte: Captura de tela de Christopher Bergland (@MINDlinkFound image of Chapter 4 in “The Handbook of Clinical Neurology” Volume 154, Série 3)

Outro marco recente na linha do tempo do mapeamento do cerebelo é a publicação de um artigo de Xavier Guell, John Gabrieli e Jeremy Schmahmann, “Representação Tripla da Linguagem, Memória de Trabalho, Processamento Social e Emocional no Cerebelo: Evidências Convergentes de Tarefa e Semente Análise de fMRI baseada no estado de repouso em uma única coorte grande. ”Este artigo foi a matéria de capa para a edição de maio de 2018 da NeuroImage vista abaixo.

Os autores resumem a significância deste artigo no resumo do estudo: “Consistente com estudos anteriores, havia duas representações distintas de ativação motora. Recém-reveladas foram três representações distintas, cada uma para o processamento funcional de tarefas de memória, linguagem, social e emocional, que foram amplamente separadas para esses quatro domínios cognitivos e afetivos. Na maioria dos casos, as ativações baseadas em tarefas e as correspondentes correlações de rede de repouso foram congruentes na identificação das duas representações motoras e das três representações não motoras que eram exclusivas da memória de trabalho, linguagem, cognição social e emoção. ”

Um mapa do cérebro do cerebelo por Xavier Guell e seus colegas foi apresentado na capa da NeuroImage em maio de 2018.

Fonte: NeuroImage / Elsevier (Volume 172, 15 de maio de 2018)

Em um artigo do MIT News de julho de 2018, “Charting the Cerebellum”, primeiro autor Xavier Guell do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT, descreve o estado-da-arte da sua equipe mapeamento de funções motoras e não motoras no cerebelo, “Neurocientistas nos anos 1940 e 1950 descreveu uma dupla representação da função motora no cerebelo, significando que duas regiões em cada hemisfério do cerebelo estão envolvidas no controle motor. O fato de existirem duas áreas de representação motora no cerebelo continua sendo um dos fatos mais bem estabelecidos da fisiologia macroscópica do cerebelo. Nosso estudo apóia a idéia intrigante de que enquanto duas partes do cerebelo estão simultaneamente envolvidas em tarefas motoras, três outras partes do cerebelo estão simultaneamente envolvidas em tarefas não motoras. Nossos predecessores cunharam o termo “representação motora dupla” e podemos agora acrescentar “representação tripla não-motora” ao dicionário da neurociência cerebelar ”.

Guell participou de mais um estudo recente que destaca como a conectividade funcional interrompida entre o cerebelo e o cérebro pode estar ligada a distúrbios do espectro do autismo de alto funcionamento. Esta pesquisa foi liderada por Sheeba Arnold Anteraper (também do Instituto McGovern para Pesquisa do Cérebro no MIT) e publicada on-line antes de ser impressa em 31 de julho de 2018, na revista Brain Connectivity .

Anteraper et al. explicar a significância desta pesquisa na conclusão do artigo, “A descrição de anormalidades de conectividade funcional relatadas neste estudo usando análises cerebrais baseadas em dados tem o potencial de avançar crucialmente no desenvolvimento de biomarcadores de ASD, alvos para intervenções terapêuticas e preditores para medir a resposta ao tratamento ”.

Além disso, os autores disseram: “Os resultados deste estudo apoiam o envolvimento do cerebelo na ASD e, portanto, sugerem uma posição potencialmente relevante de“ Dismetria do Pensamento ”como uma estrutura conceitual para futuros estudos que investigam a natureza da sintomatologia da ASD em psiquiatria. Essa teoria sustenta que os sintomas motores, cognitivos e afetivos que surgem das anormalidades cerebelares são um reflexo de uma disfunção neurológica singular. No nível fisiológico, a Dismetria do Pensamento baseia-se no conceito de uma Transformação Cerebelar Universal, que supõe que um único processo neurológico submete a modulação cerebelar do movimento, pensamento e emoção (Schmahmann, 1991, 1996; Schmahmann, 2010); veja também uma revisão recente em Guell et al. (2018a). ”

Por último, como última e mais recente entrada nesta linha do tempo, em 14 de agosto de 2018, uma equipe colaborativa de pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology e Massachusetts General Hospital, da Harvard Medical School (que incluiu Xavier Guell, Jeremy Schmahmann, John Gabrieli e Satrajit Ghosh) publicou um artigo, “Gradientes Funcionais do Cerebelo: Um Princípio do Movimento ao Pensamento Fundamental”.

Mais uma vez, Guell et al. ressaltam o significado de sua nova hipótese radical de “representação não-motora triplo”, “Este é o primeiro estudo a investigar a organização progressiva e hierárquica do cerebelo. Contrastando com a organização hierárquica primário-unimodal-transmodal fundamental e bem estabelecida no córtex cerebral (Mesulam, 1998, 2008), o eixo principal da organização motora e não-motora do cerebelo permanece desconhecido. Descrevemos pela primeira vez que as regiões funcionais do cerebelo seguem uma organização gradual que progride de regiões primárias (motoras) para transmodais (DMN, sem foco). Além disso, a relação entre os dois gradientes principais e as duas áreas de representação motoras e três não-motoras revelou pela primeira vez que existem diferenças funcionais não apenas entre os dois motores, mas também entre as três áreas de representação não-motoras. Uma nova hipótese inicial a respeito da natureza dessas diferenças é gerada notando que o processamento não-motor nos lóbulos IX / X (terceira representação não-motora) pode compartilhar semelhanças funcionais com o processamento motor no lóbulo VIII (segunda representação do motor).

No fechamento, abaixo estão dois dos últimos mapas do cerebelo por Guell et al. (2018) com gradientes funcionais. Na minha opinião, as informações contidas nesses mapas transferem nossa visão de mundo das funções cerebrais completas de maneiras que poderiam potencialmente melhorar vidas e ajudar pessoas de todas as classes a otimizar todo o seu potencial.

Figura um

Gradientes de cerebelo e relação com mapas discretos de atividade de tarefa (de Guell et al., 2018a) e mapas de estado de repouso (de Buckner et al., 2011)

Fonte: Xavier Guell e outros / eLife 2018 (Creative Commons)

Figura dois

O gradiente 1 estendeu-se da tarefa de linguagem / DMN para as regiões do motor. O gradiente 2 isolou as áreas de memória de trabalho / rede frontoparietal. (A) atlas flatmap cerebelo e gradientes 1 e 2. (B) Um gráfico de dispersão dos dois primeiros gradientes. Cada ponto corresponde a um voxel cerebelar, a posição de cada ponto ao longo dos eixos xey corresponde à posição ao longo do Gradiente 1 e do Gradiente 2 para aquele voxel cerebelar e a cor do ponto corresponde à atividade da tarefa (superior) ou à rede em repouso ) associado a esse voxel em particular.

Fonte: Xavier Guell e outros / eLife 2018 (Creative Commons)

Referências

Catherine J. Stoodley e Jeremy D. Schmahmann. “Topografia Funcional do Cerebelo Humano: Uma Meta-Análise de Estudos de Neuroimagem.” NeuroImage (Publicado pela primeira vez em janeiro de 2009) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2008.08.039

Catherine J. Stoodley e Jeremy D. Schmahmann. “Evidência para organização topográfica no cerebelo de controle motor versus processamento cognitivo e afetivo.” Cortex (publicado pela primeira vez em janeiro de 2010) DOI: 10.1016 / j.cortex.2009.11.008

Randy L. Buckner, Fena M. Krienen, Angela Castellanos, Julio C. Diaz e BT Thomas Yeo. “A Organização do Cerebelo Humano Estimada pela Conectividade Funcional Intrínseca”. Journal of Neurophysiology (Publicado pela primeira vez em 1 de novembro de 2011) DOI: 10.1152 / jn.00339.2011

Catherine J. Stoodley e Jeremy D. Schmahmann. “Capítulo 4 – Topografia Funcional do Cerebelo Humano.” Manual de Neurologia Clínica (Primeira disponível online: 11 de junho de 2018) DOI: 10.1016 / B978-0-444-63956-1.00004-7

Xavier Guell, John Gabrieli e Jeremy Schmahmann. “Representação Tripla da Linguagem, Memória de Trabalho, Processamento Social e Emocional no Cerebelo: Evidências Convergentes de Análises de fMRI de Tarefa e Estado de Descanso Baseadas em Sementes em uma Única Coorte Grande.” NeuroImage (Publicado pela primeira vez em 2 de fevereiro de 2018) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2018.01.082

Sheeba Arnold Anteraper, Xavier Guell, Anila D’Mello, Neha Joshi, Susan Whitfield-Gabrieli e Gagan Joshi. “Conectividade funcional intrínseca perturbada Cerebrocerebelar em adultos jovens com Transtorno do Espectro Autista de Alta Funcionalidade: Um Estudo de Imagem por Ressonância Magnética Funcional Orientada por Dados, com Cérebro Total e Alta Resolução Temporal.” Brain Connectivity (Publicado pela primeira vez em 31 de julho de 2018) : 10.1089 / brain.2018.0581

Xavier Guell, Jeremy D. Schmahmann, João DE Gabrieli, Satrajit S. Ghosh. “Gradientes Funcionais do Cerebelo.” ELife (Primeira publicação: 14 de agosto de 2018) DOI: 10.7554 / eLife.36652