Computational modelling of brain states

Abstract

Actividades como dormir, descansar, meditar ou realizar uma tarefa exigem diferentes tipos e níveis de processamento de informação no cérebro. Em consequência, este órgão complexo parece adoptar diferentes modos de processamento que o dotam de características globais distintas. Numerosos estudos de imagiologia funcional têm vindo a caracterizar esses estados, incluindo as redes neuronais que lhes estão associadas, padrões de conectividade funcional e propriedades da teoria de grafos. Porém, os mecanismos que causam cada um destes estados, alterando a dinâmica espontânea do cérebro, permanecem uma questão fundamental em aberto na neurociência. Nesta tese, investigamos como alterações nas forças de ligação poderão contribuir para causar a mudança na dinâmica global do cérebro observável durante a realização de tarefas. Para tal, foi usado um modelo da actividade do cérebro em grande escala durante o repouso, em que é possível manipular a força das ligações entre regiões cerebrais. Tentámos compelir a actividade simulada a comportar-se como a encontrada na realização de tarefas, através da alteração de dois conjuntos diferentes de ligações, numa certa gama de valores de acoplamento. Essas ligações foram escolhidas com base em resultados empíricos que mostram alterações durante a execução de tarefas. vi Notavelmente, para valores específicos de acoplamento, as simulações de ambas as alterações nas forças de ligação foram capazes de reproduzir propriedades globais importantes, como uma diminuição na variabilidade da conectividade funcional, um aumento global da força dos nodos e alterações significativas na integração e na segregação funcional. Os nossos resultados não só sugerem dois mecanismos que poderão explicar as alterações na dinâmica global do cérebro observada no estado de tarefa, mas também realçam a capacidade da modelação computacional para sugerir hipóteses relevantes em relação ao funcionamento do cérebro em grande escala.