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Advanced Biology

Uma Introdução à Neurociência Comportamental

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Neuroscience

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JoVE Science Education Neuroscience

An Introduction to Behavioral Neuroscience

1.6: Histological Staining of Neural Tissue

1.15: An Introduction to Developmental Neurobiology

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08:45 min

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April 30, 2023

Overview

A neurociência comportamental é o estudo de como o sistema nervoso orienta o comportamento, e como as diversas áreas funcionais e redes dentro do cérebro se correlacionam com comportamentos específicos e estados da doença. Pesquisadores deste campo utilizam uma ampla variedade de métodos experimentais que vão desde técnicas complexas de treinamento animal até experimentos de imagem sofisticados em seres humanos.

Este vídeo primeiro oferece uma visão geral histórica de alguns dos principais marcos que levam à nossa compreensão atual do controle do cérebro sobre o comportamento. Em seguida, algumas das perguntas fundamentais feitas pelos neurocientistas comportamentais são apresentadas, que envolvem todos o estudo de correlações neurais, ou regiões cerebrais específicas cuja ativação é responsável por uma determinada função. Em seguida, métodos proeminentes utilizados para responder a essas perguntas são revisados tanto para sujeitos humanos quanto animais, como condicionamento operante e neuroimagem funcional. Finalmente, são apresentadas aplicações experimentais dessas técnicas, incluindo o treinamento animal usando uma caixa de Esfolador, e o uso de eletroencefalografia para investigar doenças neurológicas humanas.

Procedure

Neurociência comportamental é o estudo de como o sistema nervoso orienta o comportamento em humanos e animais. Pesquisadores deste campo utilizam uma variedade de métodos, desde técnicas de treinamento animal até experimentos de neuroimagem, para estudar como as áreas funcionais e redes do cérebro se correlacionam com comportamentos específicos e estados relacionados à doença.

Este vídeo revisará um breve histórico de neurociência comportamental, revisará as principais perguntas feitas pelos pesquisadores neste campo, revisará alguns dos métodos proeminentes usados para responder a essas perguntas e fornecerá um vislumbre dos tipos de experimentos realizados em laboratórios de neurociência comportamental hoje.

Vamos começar com uma visão geral de alguns dos principais marcos da história da neurociência comportamental. Na Grécia antiga, Hipócrates e seus seguidores foram os primeiros a acreditar que o cérebro controlava o pensamento humano.

Então, em 1662, René Descartes desenvolveu um dos primeiros modelos para descrever como o cérebro controla o comportamento – ele especulou que a alma controlava o corpo através da glândula pineal.

Os séculos seguintes produziram muitas evidências de que Descartes estava errado. Por exemplo, em 1848, o capataz da ferrovia Phineas Gage se envolveu em um acidente que levou uma barra de ferro através de seu crânio. Ele viveu, mas exibiu severas mudanças de personalidade, demonstrando que o dano ao lobo frontal tem um profundo impacto no comportamento.

Então, no final do século XIX, Paul Broca e Carl Wernicke estudaram pacientes que perderam sua capacidade de ler e/ou falar, e descobriram áreas do cérebro responsáveis pela linguagem, agora conhecidas como áreas de Broca e Wernicke.

Mais tarde, em 1890, William James declarou que a psicologia deveria ser estudada via biologia, e muitas descobertas importantes na modificação comportamental se seguiram. Na década de 1930, seguindo o conselho de James, BF Skinner desenvolveu um aparelho chamado caixa skinner, que ainda é usado para estudar como punição e recompensa podem reforçar o comportamento em animais.

Então, no final da década de 1900, técnicas avançadas de neuroimagem tornaram-se disponíveis, como ressonância magnética, ou ressonância magnética. Em 1990, Seiji Ogawa desenvolveu o método agora usado para ressonância magnética funcional, que revolucionou o campo da neurociência ao permitir que os pesquisadores visualizassem a atividade cerebral ao longo do tempo durante tarefas cognitivas simples.

Agora que discutimos alguns dos principais eventos da história da neurociência comportamental, vamos rever algumas das perguntas fundamentais feitas pelas pessoas que a neurobiologia do comportamento hoje. Todas essas questões envolvem o estudo de correlações neurais, ou regiões cerebrais específicas cuja ativação é responsável por uma determinada função.

Por exemplo, um cientista interessado no controle do sistema nervoso do movimento pode investigar os mecanismos que controlam o equilíbrio e a coordenação. Embora tenha sido estabelecido que essas funções mapeiam para o córtex motor primário, córtex pré-motor, cerebelo e a substantia nigra, os cientistas ainda estão investigando como os circuitos dentro e entre cada região permitem a locomoção.

Alternativamente, os pesquisadores podem investigar como o sistema nervoso avalia estímulos e orienta o comportamento com base nesses estímulos. Aqui, os pesquisadores podem perguntar como diferentes tipos de recompensa podem impactar o comportamento animal. Entender quando e por que certas recompensas são motivadoras pode nos ajudar a resolver problemas como o vício. Correlações neurais para motivação e recompensa são o sistema límbico e a área tegmental ventral.

Outros neurocientistas comportamentais estudam como o sistema nervoso permite a aprendizagem e a formação da memória. Por exemplo, pode-se investigar como o cérebro cria e retém memórias relacionadas a estímulos temerosos, o que é importante para o tratamento de transtornos de estresse pós-traumático. Essas funções geralmente mapeiam para o hipocampo e a amígdala.

Perguntas-chave adicionais se concentram em processos cognitivos mais elevados, como reconhecimento facial. Aqui, um pesquisador pode investigar como um sujeito responde a rostos familiares versus novos. Em humanos, uma correlação neural específica para reconhecimento facial é a área facial fusiforme no giro fusiforme.

Agora que passamos por algumas das principais perguntas feitas por neurocientistas comportamentais, vamos nos aprofundar em alguns dos métodos proeminentes usados ao tentar respondê-los. Muitas abordagens nesse campo envolvem experimentos comportamentais em animais, que são realizados após a manipulação de determinadas regiões cerebrais, a fim de estudar a ligação entre neurobiologia e comportamento.

Processos como locomoção podem ser estudados em animais usando equipamentos especializados como o rotarod, que é uma vara giratória que exige que o animal se mova continuamente para evitar cair, ou câmaras que requerem que o animal busque comida para testar a destreza.

Métodos que envolvem modificação comportamental incluem condicionamento operante, e podem utilizar a caixa skinner para experimentos de autoadministração envolvendo estímulos gratificantes ou aversivos, como alimentos ou drogas.

Métodos para investigar o aprendizado e a memória muitas vezes utilizam labirintos, como desenhos de t-arm ou morris, nos quais os animais têm que encontrar, e então lembrar, o caminho para sair do aparelho.

À medida que a complexidade do comportamento sob investigação aumenta, também aumenta a necessidade de seres humanos. Por exemplo, estudar processos cognitivos mais elevados, como a linguagem, pode envolver métodos que medem a atividade neural através do couro cabeludo, como a eletroencefalografia, que pode ser aplicada como um sujeito realiza uma tarefa cognitiva específica.

Métodos funcionais de imagem também são usados para estudar a cognição humana, como ressonância magnética funcional ou ressonância magnética. Este método mede um sinal, que está correlacionado ao fluxo sanguíneo, e pode, por sua vez, estar ligado à ativação neuronal baseada em tarefas, resultando em um mapa estatístico de regiões cerebrais ativas.

Agora que superamos alguns dos métodos proeminentes da neurociência comportamental, vamos dar uma olhada em algumas aplicações dessas técnicas.

Neste experimento, um rato é ensinado que pressionar repetidamente uma alavanca em uma caixa de Esfolador resultará em uma recompensa alimentar. O animal é então tratado com substâncias neuroativas, como a leptina hormonal, para avaliar como as mudanças resultantes na atividade cerebral influenciam a motivação para a obtenção de alimentos.

Em humanos, a ressonância magnética funcional é frequentemente usada para estudar processos cognitivos mais elevados, como a tomada de decisões. Neste estudo, os participantes foram convidados a decidir se um padrão de pontos está se movendo rapidamente ou lentamente durante uma varredura de ressonância magnética.

A eletroencefalografia, ou EEG, é uma técnica não invasiva que pode ser usada para estudar estados da doença, como demência e doença de Alzheimer. Para esses experimentos, os participantes usam eletrodos não invasivos no couro cabeludo que medem a atividade elétrica do cérebro como função. A análise pode revelar padrões anormais correlacionados com doenças neurológicas ou psiquiátricas.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à neurociência comportamental. Revisamos uma breve história deste campo de estudo, revisamos algumas perguntas-chave, discutimos alguns métodos proeminentes usados para responder a essas perguntas e examinamos alguma aplicação específica desses métodos.

Obrigado por assistir!

Transcript

Behavioral neuroscience is the study of how the nervous system guides behavior in humans and animals. Researchers in this field utilize a variety of methods, from animal training techniques to neuroimaging experiments, to study how the functional areas and networks of the brain correlate to specific behaviors and related disease states.

This video will review a brief history of behavioral neuroscience, go over the key questions asked by investigators in this field, review some of the prominent methods used to answer those questions, and provide a glimpse into the types of experiments performed in behavioral neuroscience labs today.

Let’s begin with an overview of some of the major milestones in the history of behavioral neuroscience. In ancient Greece, Hippocrates and his followers were among the first to believe that the brain controlled human thought.

Then, in 1662, René Descartes developed one of the first models to describe how the brain controls behavior – he speculated that the soul controlled the body through the pineal gland.

The next few centuries produced a lot of evidence that Descartes was wrong. For example, in 1848, railroad foreman Phineas Gage was involved in an accident that drove an iron rod through his skull. He lived, but exhibited severe personality changes, demonstrating that damage to the frontal lobe has a profound impact on behavior.

Then, in the late 19th century, Paul Broca and Carl Wernicke studied patients who had lost their ability to read and/or speak, and discovered areas of the brain responsible for language, now known as the Broca and Wernicke areas.

Later, in 1890, William James declared that psychology should be studied via biology, and many major discoveries in behavioral modification followed. In the 1930’s, following James’ advice, BF Skinner developed an apparatus called the Skinner box, which is still used to study how punishment and reward can reinforce behavior in animals.

Then, in the late 1900’s, advanced neuroimaging techniques became available, such as magnetic resonance imaging, or MRI. In 1990, Seiji Ogawa developed the method now used for functional MRI, which revolutionized the field of neuroscience by allowing researchers to visualize brain activity over time during simple cognitive tasks.

Now that we’ve discussed some of the major events in the history of behavioral neuroscience, let’s review some of the fundamental questions asked by the folks who neurobiology of behavior today. These questions all involve the study of neural correlates, or specific brain regions whose activation is responsible for a given function.

For example, a scientist interested in nervous system control of movement might investigate the mechanisms that control balance and coordination. Although it has been established that these functions map to the primary motor cortex, premotor cortex, cerebellum, and the substantia nigra, scientists are still investigating how the circuitry within and between each region enables locomotion.

Alternatively, researchers may investigate how the nervous system evaluates stimuli and guides behavior based on these stimuli. Here, researchers may ask how different types of reward can impact animal behavior. Understanding when and why certain rewards are motivating could help us address problems like addiction. Neural correlates for motivation and reward are the limbic system and the ventral tegmental area.

Other behavioral neuroscientists study how the nervous system allows for learning and memory formation. For example, one may investigate how the brain creates and retains memories related to fearful stimuli, which is important for the treatment of post-traumatic stress disorders. These functions generally map to the hippocampus and the amygdala.

Additional key questions focus on higher cognitive processes, such as facial recognition. Here, a researcher may investigate how a subject responds to familiar versus novel faces. In humans, a neural correlate specific for face recognition is the fusiform face area in the fusiform gyrus.

Now that we’ve gone through a few of the major questions asked by behavioral neuroscientists, let’s delve into some of the prominent methods used when trying to answer them. Many approaches in this field involve behavioral experiments in animals, which are performed after manipulating certain brain regions, in order to study the link between neurobiology and behavior.

Processes such as locomotion can be studied in animals using specialized equipment such as the rotarod, which is a rotating rod that requires the animal to move continually to avoid falling off, or chambers that require the animal to reach for food to test dexterity.

Methods involving behavioral modification include operant conditioning, and may utilize the Skinner box for self-administration experiments involving rewarding or aversive stimuli, such as food or drugs.

Methods to investigate learning and memory often utilize mazes, such as T-arm or Morris water maze designs, in which animals have to find, and then remember, the path to exit the apparatus.

As the complexity of the behavior under investigation increases, so does the need for human subjects. For example, studying higher cognitive processes, like language, may involve methods that measure neural activity through the scalp, such as electroencephalography, which can be applied as a subject performs a specific cognitive task.

Functional imaging methods are also used to study human cognition, such as Functional Magnetic Resonance Imaging or fMRI. This method measures a signal, which is correlated to blood flow, and can in turn be linked to task based neuronal activation thereby resulting in a statistical map of active brain regions.

Now that we’ve gone over some of the prominent methods in behavioral neuroscience, let’s have a look at some applications of those techniques.

In this experiment, a mouse is taught that repeatedly pressing a lever in a Skinner box will result in a food reward. The animal is then treated with neuroactive substances, like the hormone leptin, to assess how the resulting changes in brain activity influence the motivation to obtain food.

In humans, functional MRI is often used to study higher cognitive processes such as decision-making. In this study, participants were asked to decide if a pattern of dots is moving quickly or slowly during an fMRI scan.

Electroencephalography, or EEG, is a non-invasive technique that can be used to study disease states, such as dementia and Alzheimer’s disease. For these experiments, participants wear non-invasive electrodes on the scalp that measure the brain’s electrical activity as a function is performed. Analysis may reveal abnormal patterns correlated with neurologic or psychiatric diseases.

You’ve just watched JoVE’s introduction to behavioral neuroscience. We’ve reviewed a brief history of this field of study, went over some if its key questions, discussed some prominent methods used to answer those questions, and examined some specific application of those methods.

Thanks for watching!

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