Long-range brain connectivity during active visual behavior

• Grant number: 21/09956-6
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Technical Training Program - Technical Training
• Start date: October 01, 2021
• End date: January 31, 2023
• Field of knowledge: Humanities - Psychology - Physiological Psychology
• Agreement: Max Planck Society for the Advancement of Science
• Principal Investigator: Gustavo Rohenkohl
• Grantee: Luan Zimmermann Bortoluzzi
• Host Institution: Instituto de Biociências (IB). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brazil
• Associated research grant: 17/10429-5 - Long-range brain connectivity during active visual behavior, AP.JP

Abstract

Para se desvendar o funcionamento do sistema nervoso central (SNC) é essencial que se entenda como áreas distintas trocam informações entre si, e como a dinâmica de tais conexões neurais se traduzem em comportamento. Uma das teorias mais proeminentes acerca do mecanismo da conectividade neural propõe que a troca eficiente de informações entre regiões distintas se dá via sincronização de suas atividades neurais. Isto é, grupos neurais fisicamente distantes se comunicam mais efetivamente quando apresentam seus momentos de máxima excitabilidade em fase. Porém, não se sabe se este mecanismo também opera em condições e escalas de tempo mais naturais do comportamento. Por exemplo, habitualmente, nossos olhos se deslocam cerca de quatro vezes por segundo, examinando o ambiente em busca de informações relevantes. Este comportamento visual exploratório, rápido e intrínseco assegura que a informação relevante - como a próxima palavra desta frase - seja trazida para o centro do campo visual (fóvea), onde a resolução da imagem na retina é máxima. Portanto, estímulos visuais provenientes de cada posição ocular são processados e transmitidos para áreas remotas do cérebro a cada cerca de 250ms. Este projeto visa investigar o mecanismo que rege a comunicação neural da percepção visual sob estas condições. Para tanto, será utilizada uma tarefa de busca visual onde os participantes irão explorar uma imagem livremente. Esta tarefa será investigada usando quatro abordagens experimentais complementares, graças a uma colaboração internacional. Os dois primeiros experimentos serão realizados no Instituto de Biociências da USP, e os dois últimos, no Instituto Ernst Strüngmann (ESI) de Neurociência em Cooperação com a Sociedade Max Planck, em Frankfurt. O estudo 1 irá investigar os benefícios dos mecanismos de seleção sensorial durante o comportamento visual ativo. No segundo estudo, utilizarei eletroencefalograma (EEG) para investigar, pela primeira vez em humanos, a assinatura neural deste mecanismo de seleção sensorial. O estudo 3, a ser realizado no ESI em Frankfurt, empregará uma técnica inédita de coleta de registros intracanianos em macacos rhesus que permite a observação da atividade neural de múltiplas regiões do cérebro simultaneamente, incluindo o córtex visual primário (V1), secundário (V4) e áreas de controle do córtex prefrontal, como o campo visual frontal (FEF). Este alcance extraordinário de registros cerebrais permitirá o acesso incomparável a redes neurais de larga dimensão. O estudo 4 também investigará tais amplas redes neuronais, porém em humanos, e irá expandir os achados do estudo 3 para outros modelos experimentais bem como outras áreas do SNC. Para tanto, os participantes terão sua atividade neural coletada por meio de registros de magnetoencefalografia (MEG) e imagens por ressonância magnética funcional (fMRI). Esta abordagem complementar aumenta o ganho em resolução espacial e temporal da atividade total do SNC, produzindo mapas das redes das conexões neurais de forma coesa e fidedigna. Em suma, os achados deste projeto auxiliarão o nosso conhecimento a cerca dos mecanismos de seleção sensorial e conectividade neural durante o comportamento visual ativo. Além disto, por mesclar experimentos feitos em humanos e macacos, o presente projeto aproximará e conciliará técnicas invasivas e não invasivas; pesquisas fisiológicas de natureza distintas, porém de imenso potencial agregado. (AU)