The Sleep Connecome

Fonte: Por Andreashorn (Trabalho próprio) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], através do Wikimedia Commons

Avanços na neurociência geralmente emergem quando novos métodos de análise e visualização da anatomia e função do sistema nervoso são desenvolvidos. Por exemplo, o campo emergente da neurociência foi muito avançado pelo desenvolvimento e uso de manchas que possibilitaram a visualização de neurônios individuais no sistema nervoso. Isso, por sua vez, tornou possível começar a entender esses componentes fundamentais das redes neurais. O estudo dos efeitos cognitivos, motores e emocionais de vários insultos para o cérebro eo sistema nervoso, como lesões na cabeça, doenças como esclerose múltipla e danos causados ​​por acidentes vasculares cerebrais foi avançado pelo uso de testes neuropsicológicos que ajudaram a identificar e quantificar os efeitos dessas lesões. O desenvolvimento do eletroencefalograma (EEG) na década de 1920 ajudou cientistas e médicos a compreender melhor a atividade elétrica do córtex cerebral. Isso levou a avanços no diagnóstico de distúrbios cerebrais como a epilepsia. Desde a década de 1970, esforços foram feitos para usar os padrões EEG para compreender as interconexões dos centros neurais no córtex usando um método conhecido como Electroencefalografia Quantitativa (QEEG). O desenvolvimento da tomografia computadorizada, a ressonância magnética, a ressonância magnética funcional e outras técnicas de imagem nas últimas décadas contribuíram bastante para a compreensão crescente da função do sistema nervoso, permitindo a visualização de estruturas cerebrais em organismos vivos e mostrando as atividades funcionais de esses centros. Usando esses métodos, é possível criar mapas cerebrais que relacionem anatomia e função.

O que emergiu desta pesquisa é que o poder do cérebro não reside em centros neurais individuais, mas na atividade sincronizada desses centros. Os sistemas de neurônios executam as tarefas subjacentes que são então coordenadas e geram cognição, emoção e comportamento.

No início do século passado, acreditava-se que o sono ocorreu quando a estimulação dos sentidos parou de fluir para o córtex cerebral. Esta visão do sono como um processo passivo pareceu fazer sentido, pois as pessoas e os animais geralmente precisam ser seguros e relaxados em um ambiente de baixa estimulação para escapar facilmente ao sono. As pesquisas que começaram na década de 1940 gradualmente desafiaram esse modelo. Agora é reconhecido que o sono é realmente um processo complexo e exige muitos sistemas neurais para trazê-lo. Não é passivo, mas é realmente um processo muito ativo e complexo. Que é tão complexo e deve ser tão finamente regulado significa que muito pode dar errado com isso, resultando em vários distúrbios do sono.

No dia a dia, existem três estados de processamento mental que ocorrem regularmente. Estes são acordes, sono profundo e sono REM. O início do sono baseia-se no acúmulo de movimentos de sono ao longo do dia e os efeitos reguladores do ritmo circadiano. A alteração entre o sono profundo eo sono REM é regulada por sistemas cerebrais complexos que funcionam para dar o equilíbrio adequado entre eles e levam a uma restauração efetiva do sistema nervoso e do corpo para que a mente / corpo possa operar em níveis ótimos durante o dia.

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Dentro do cérebro há caminhos que permitem a interação e coordenação dos sistemas neurais nas partes da frente e da parte traseira do cérebro, dos hemisférios esquerdo e direito e dos centros superiores e inferiores. Com o reconhecimento da importância desta interação, foram feitos esforços cada vez maiores para rastrear os componentes funcionais e estruturais do cérebro. O poder do sistema nervoso reside na complexa coordenação das atividades de um grande número de neurônios individuais. Essa idéia foi amplamente revisada na seção especial da edição de novembro de 2013 da revista Science, intitulada "The Heavily Connected Brain" (Ver Markov et al, 2013; Park & ​​Friston, 2013; Stern, 2013; Turk-browne, 2013) . Agora é possível rastrear a conectividade entre os neurônios e usar novas técnicas analíticas, como a teoria da rede, para entender os mecanismos subjacentes de estrutura e função em grandes redes neurais. Esses métodos estão ajudando a entender como é possível que uma estrutura fixa como o cérebro possa dar origem a tanta diversidade funcional. Enquanto o cérebro é uma estrutura fixa, pode ser em diversos estados, como vigília e sonhos. Isto é devido às formas variadas e complexas nas quais os caminhos neurais subjacentes interagem.

O Connectomics baseia-se nos recentes avanços no mapeamento e análise de redes neurais. Muitas vezes, é comparado aos desenvolvimentos em genômica. Um connectograma é uma visualização gráfica das conexões entre as áreas do cérebro reveladas pela RM de difusão e analisadas com a teoria gráfica. É tipicamente retratado como um círculo com interconexões desenhadas entre áreas representativas no círculo que denotam estruturas cerebrais. Você pode ter visto estes diagramas circulares em artigos que mostram a força das relações entre várias áreas do cérebro. Um exemplo recente foi a descoberta amplamente divulgada de um estudo sobre os efeitos da psilocibina psiquiátrica no funcionamento do cérebro (Petri et al, 2014). Em resumo, o estudo descobriu que a psilocicina causa aumento e integração diferente de certas áreas cerebrais, em comparação com o estado não-drogado. Isso ajuda a explicar os estados mentais profundos que esta droga é relatada como causadora.

Um conector é um mapa de conexões neurais no cérebro e mostra conexões mapeadas em uma representação do cérebro. Um exemplo é a imagem no topo desta publicação. Uma visualização como essa é produzida com uma imagem de tensor de difusão que usa imagens de ressonância magnética funcional para identificar tractos axônicos, observando a difusão de moléculas de água nesses tratamentos (Purves et al, 2012). Um dos desafios do uso desses mapas é que eles estão mudando constantemente, dependendo do estado e das experiências do organismo. O contato de uma pessoa adormecida no sono profundo será diferente do de um indivíduo alerta, focado e acordado à medida que os sistemas neurais subjacentes interagem de diferentes maneiras com base nesses estados diferentes. Os Connectomes foram utilizados para investigar as diferenças entre os cérebros do sexo masculino e feminino, características humanas positivas e negativas, e atualmente estão sendo investigados em um esforço de pesquisa em grande escala conhecido como o Projeto Human Connectome que está sendo apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde.

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Trabalhos recentes começaram a mapear o conector de sono (Vyazovskly, 2015), inicialmente olhando sono em animais. Isso está ajudando a elucidar ainda mais os mecanismos complexos que permitem transições suaves do sono ao sono profundo para o sono REM. Também está ajudando a aumentar a compreensão de como o sono se desenvolve no início da vida dos animais, começando antes do nascimento. Por exemplo, descobriu-se uma população específica de neurônios no cérebro posterior que se desenvolve nas subpopulações de células que, em última instância, contribuem para os circuitos de sono / sono (Hayashi, et al, 2015). Isso ocorre muito cedo no desenvolvimento antes que os estados de vigília e sono tenham surgido.

O Projeto Human Connectome, como o Projeto Genoma Humano antes dele, promete aumentar muito nossa compreensão da estrutura e função do cérebro. Estou especialmente entusiasmado com a possibilidade de que isso nos ajude a entender melhor as formas como o cérebro traz e regula os estados de consciência, como a vigília e o sono. Essa compreensão pode muito bem ajudar no desenvolvimento de tratamentos mais efetivos dos distúrbios do sono – algo que muitos dos nossos amigos desafiados pelo sono apreciarão!

Hayashi, Y., Kashiwagi, M., Yasuda, K., Ando, ​​R., Kanuka, M., Sakai, K. e Itohara, S. (2015). As células de uma origem comum de desenvolvimento regulam o sono REM / non-REM e a vigília em camundongos. Ciência , 20 de novembro de 2015, 350 (6263), 957 – 961.

Markov, NT, Ercsey-Ravasz, M., Van Essen, DC, Knoblauch, K. Toroczkal, Z. e Kennedy, H. (2013). Arquiteturas Cortical High-Density Counterstream. Ciência , 1 de novembro de 2013, 342 (6158), p. 578.

Park, HJ, & Friston, K. (2013). Redes estruturais e funcionais do cérebro: das conexões à cognição. Ciência , 1 de novembro de 2013, 342 (6158), p. 579.

Petri G, Expert P, Turkheimer F, Carhart-Harris R, Nutt D, Hellyer PJ, Vaccarino F. (2014). Andaimes homológicos de redes funcionais do cérebro. JR Soc. Interface 11 : 20140873. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0873

Purves, D., Augustine, GJ, Fitzpatrick, D., Hall, WC, LaMantia, AS, White, LE (Eds.). (2012). Neuroscience 5th Edition , Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Stern, P. (2013). Conexão, conexão, conexão …. Ciência , 1 de novembro de 2013, 342 (6158), p. 577.

Turk-Browne, NB (2013). Interações funcionais como grandes dados no cérebro humano. Ciência , 1 de novembro de 2013, 342 (6158), p. 580 – 584.

Vyazovskiy, VV (2015). Mapeando o nascimento do conector de sono. Ciência , 20 de novembro de 2015, 350 (6263), p. 909 – 910.