Creierul își reconfigurează percepția timpului și a sunetelor atunci când este implicat activ în sarcini

Un studiu recent realizat de cercetători din Israel și publicat în Science Advances a explorat modul în care neuronii din cortexul auditiv al șobolanilor codifică nu doar informații sonore, ci și informații contextuale legate de timp și sarcină. Echipa a descoperit o formă distinctă de activitate neuronală – modulații lente ale ratei de descărcare – care apar în momente specifice ale unei sarcini comportamentale, fiind independente de stimulii auditivi, dar totuși strâns corelate cu succesiunea evenimentelor dintr-un trial.
În ultimele decenii, cercetările au arătat că neuronii senzitivi nu răspund doar la stimuli senzoriali, ci și la contextul comportamental: mișcarea, atenția, anticiparea recompensei sau implicarea într-o sarcină pot modula activitatea neuronală. În cortexul auditiv, astfel de modulații contextuale pot suprima sau amplifica răspunsurile la sunete, în funcție de starea și motivația animalului. Totuși, mecanismele prin care cortexul auditiv integrează aceste semnale rămâneau insuficient înțelese.

Autorii studiului au emis ipoteza că o parte din aceste modulații reflectă o reprezentare internă a timpului – un cod neuronal care marchează progresul unui eveniment comportamental, similar cu „neuroni ai timpului” descriși anterior în hipocamp, cortexul entorhinal și cortexul prefrontal.

Despre studiu

Design experimental și sarcina comportamentală

Cercetătorii au folosit Rat Interactive Foraging Facility (RIFF) – o arenă complexă unde șobolanii se mișcă liber și execută o sarcină de localizare și discriminare auditivă. Animalele inițiau un trial trecând prin centrul arenei, ceea ce declanșa redarea unui sunet de 200 milisecunde la un nivel de aproximativ 85 dB, asociat cu una dintre cele șase zone de interacțiune.

Șobolanul trebuia să se deplaseze către zona indicată de sunet și să introducă botul într-un port pentru a obține apă sau hrană. Trialurile durau, în medie, sub 5 secunde, iar succesul era recompensat imediat. Rata de reușită a crescut de la 32 ± 4% la primele sesiuni la 64 ± 3% după antrenament, semn că animalele au învățat sarcina eficient.

Înregistrări neuronale

Activitatea neuronală a fost înregistrată cu electrozi multicamerali implantați în cortexul auditiv primar și zonele adiacente (AAF, câmpuri dorsale și ventrale). În total, au fost analizate sute de neuroni în timpul comportamentului activ și în timpul ascultării pasive ulterioare, când animalele erau imobile și nu aveau sarcini de efectuat.

Rezultate

Modulații lente ale activității neuronale

Principala descoperire a fost identificarea unui mod de activitate lent, caracterizat prin creșteri și scăderi graduale ale ratei de descărcare, care se întindeau pe durate de câteva secunde. Aceste modulații nu erau legate direct de prezentarea sunetelor, de mișcare sau de alți parametri măsurabili, dar apăreau în momente specifice ale trialului – adesea chiar înaintea sunetului.

Analizele populaționale au arătat că momentele de vârf ale activității neuronale se distribuiau pe întreg intervalul unui trial, de la inițiere până la colectarea recompensei. Acest tipar temporal era consistent între trialuri și între indivizi, sugerând o reprezentare internă a timpului în cadrul sarcinii.

Modele explicative și analiza cauzală

Pentru a identifica variabilele care explică cel mai bine aceste modulații lente, autorii au comparat modele statistice bazate pe:

• nivelul sonor al stimulilor,
• viteza de deplasare,
• poziția și direcția capului,
• unghiul dintre cap și corp,
• și timpul în cadrul trialului.

Rezultatele au arătat că, pentru aproximativ o treime dintre neuroni, cea mai bună variabilă explicativă a fost timpul în cadrul trialului, nu sunetul sau mișcarea. Acest lucru sugerează că o parte semnificativă a neuronilor din cortexul auditiv codifică momentul comportamental, nu doar informația senzorială.

Diferențele între stările activă și pasivă

În condiția activă, când șobolanii îndeplineau sarcina, neuronii au prezentat o activitate de fond crescută înaintea sunetelor și răspunsuri auditive mai slabe, dar cu o informativitate mai mare privind identitatea stimulului. Analiza mutual information a confirmat că răspunsurile în timpul comportamentului activ codificau mai bine diferențele între sunete decât în timpul ascultării pasive.

Modelarea computațională

Pentru a înțelege acest fenomen, cercetătorii au adaptat un model neuronal bazat pe depresie sinaptică dependentă de activitate. În model, o creștere a activității de fond duce la epuizarea temporară a sinapselor cortico-corticale, ceea ce reduce amplitudinea răspunsurilor evocate, dar crește finețea temporală și diferențierea între stimuli.
Simulările au reprodus fidel observațiile experimentale: activitatea spontană mai mare în starea activă determină răspunsuri mai slabe, dar mai informative. Acest mecanism poate explica modul în care cortexul auditiv optimizează procesarea sunetelor relevante în context comportamental.

Interpretare

Studiul evidențiază existența unui cod temporal intern în cortexul auditiv, sub forma unor modulații lente ale activității neuronale care reflectă progresul temporal al unei sarcini. Aceste modulații nu par a fi simple răspunsuri anticipative sau mișcări motorii, ci mai degrabă o reprezentare internă a timpului – analogă neuronilor temporali descriși în hipocamp sau cortexul prefrontal.

Autorii propun că acest cod temporal are un rol funcțional important: prin creșterea activității de fond și inducerea depresiei sinaptice, el modulează selectiv răspunsurile auditive, făcându-le mai precise și mai adaptate cerințelor comportamentale. Astfel, cortexul auditiv nu doar „ascultă”, ci și „măsoară timpul” pentru a optimiza procesarea informației senzoriale în funcție de context.

Concluzii

Rezultatele acestui studiu extind semnificativ înțelegerea asupra rolului cortexului auditiv. Pe lângă procesarea stimulilor sonori, el integrează semnale interne legate de timp, motivație și acțiune, contribuind la eficiența procesării auditive în comportamente complexe. În esență, cortexul auditiv se dovedește a fi o structură multimodală care encodează nu doar „ce” se aude, ci și „când” și „în ce context” are loc evenimentul.