A neurociência computacional no estudo dos processos cognitivos / Neuroscience computationnelle dans l'étude des processus cognitifs / La neurociencia computacional en el estudio de los procesos cognitivos / Computational neuroscience in the study of cognitive processes

Resumo Nas últimas décadas o estudo de processos cognitivos vem sendo influenciado por duas tendências: a legitimação de diversas formas e níveis de estudo e a tentativa de integração multidisciplinar. A primeira teve grande importância na segunda metade do século XX, quando linhas de pesquisa na psicologia cognitiva e nas neurociências fortaleceram-se. Nesse sentido, destacam-se os três níveis de Marr (computacional, algorítmico e implementacional) como forma de estruturar o estudo dos processos cognitivos. A segunda tendência é mais recente e busca, apoiada na primeira, aprofundar o entendimento dos processos cognitivos em suas diversas escalas e integrar diversos paradigmas de estudos, buscando consiliência teórica. O intento deste artigo é apresentar a neurociência computacional e suas possíveis contribuições para a psicologia cognitiva, articulando, por meio dos três níveis de Marr, uma base teórica que explicite o papel de cada uma das disciplinas e as suas possíveis interações.

Résumé Au long des dernières décennies, l'étude des processus cognitifs se voit influencé par deux tendances : la légitimation de plusieurs formes et niveaux d'études et l'essai d'intégration multidisciplinaire. La première a eu une grande importance pendant la deuxième moitié du XXe siècle, quand des lignes de recherche en psychologie cognitive et en neurosciences ont gagné force. Dans ce sens, on peut souligner les trois niveaux de Marr (computationnel, algorithmique et implémentationnel) comme moyens de structurer l'étude des procédés cognitifs. La deuxième tendance est plus récente et cherche, avec l'aide de la première, à approfondir la connaissance des procédés cognitifs et ses différentes échelles et à intégrer plusieurs modèles d'études, en cherchant des convergences théoriques. Le but de cet article est donc de présenter la neuroscience computationnelle et ses possibles contributions pour la psychologie cognitive en articulant, par les trois niveaux de Marr, une base théorique qui puisse expliciter le rôle de chacune des disciplines et de ses possibles interactions.

Resumen En las últimas décadas, el estudio de procesos cognitivos se ha visto influenciado por dos tendencias: la legitimación de diversas formas y niveles de estudio, y el intento de integración multidisciplinar. La primera tuvo gran importancia en la segunda mitad del siglo XX, cuando varias líneas de investigación en la psicología cognitiva y en las neurociencias se fortalecieron. En ese sentido, destacan los tres niveles de Marr (computacional, algorítmico e implementacional) como una manera de estructurar el estudio de los procesos cognitivos. La segunda tendencia es más reciente y busca, apoyada en la primera, profundizar la comprensión de los procesos cognitivos en sus diversas escalas e integrar diversos paradigmas de estudios, buscando consiliencia teórica. En este artículo, se intenta presentar la neurociencia computacional y sus posibles contribuciones para la psicología cognitiva, articulando, a través de los tres niveles de Marr, una base teórica que ponga de manifiesto el papel de cada una de las disciplinas y sus posibles interacciones.

Abstract In recent decades the study of cognitive processes has been influenced by two tendencies: legitimation of several forms and levels of study and the attempt of multidisciplinary integration. The first had great importance in the second half of the 20th century, when research lines in cognitive psychology and neuroscience were strengthened. In this sense, Marr's three levels of analysis (computational, algorithmic, and implementation) are one way to structure the study of cognitive processes. The second tendency is more recent and, supported by the first one, seeks to deepen the understanding of cognitive processes in their different scales and to integrate several paradigms of studies in order to reach theoretical consilience. This article aims to introduce computational neuroscience and its possible contributions to cognitive psychology, articulating, through Marr's three levels, a theoretical basis that explains the role of each of the disciplines and their possible interactions.

Modelagem neurocomputacional do circuito tálamo-cortical: implicações para compreensão do transtorno de défi cit de atenção e hiperatividade / A neurocomputational model for the thalamocortical loop: towards a better understanding of attention deficit hyperactivity disorder

CONTEXTO: A desatenção no transtorno de déficit de atenção e hiperatividade (TDAH) é principalmente associada à hipoatividade dopaminérgica mesocortical. Contudo, variações dopaminérgicas mesotalâmicas também afetam o controle da atenção e, possivelmente, originam alterações atencionais no TDAH. OBJETIVO: Elaboração de um modelo neurocomputacional a partir do conhecimento do funcionamento bioquímico dos sistemas dopaminérgicos mesocortical e mesotalâmico, a fim de investigar a influência dos níveis de dopamina na via mesotalâmica sobre o circuito tálamo-cortical e suas implicações nos sintomas de desatenção do TDAH. MÉTODO: Através de um conjunto de equações modelamos propriedades fisiológicas de neurônios talâmicos. A seguir, simulamos computacionalmente o comportamento do circuito tálamo-cortical variando os níveis de dopamina nas vias mesotalâmica e mesocortical. RESULTADOS: Em relação à via mesotalâmica, a hipoatividade dopaminérgica dificulta o deslocamento do foco de atenção, e a hiperatividade dopaminérgica acarreta desfocalização atencional. Quando tais situações são acompanhadas de hipoatividade dopaminérgica mesocortical, surge uma incapacidade em perceber estímulos, devido à competição sem vencedores entre regiões talâmicas pouco ativadas. A desatenção no TDAH também se origina em desequilíbrios dopaminérgicos na via mesotalâmica, que levam à focalização excessiva ou à desfocalização da atenção. CONCLUSÃO: O nosso experimento in silico sugere que no TDAH a desatenção relaciona-se com alterações dopaminérgicas, que não se restringem à via mesocortical.

BAKGROUND: Inattention symptoms observed in patients with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) are mostly related to a hipoactivity in the mesocortical dopaminergic pathway. However, mesothalamic dopaminergic variations also affect the attentional control, and possibly lead to attention alterations in ADHD. PURPOSE: Elaborating a neurocomputational model from biochemical knowledge of mesocortical and mesotalamic dopamine systems, to investigate how different levels of mesothalamic dopamine influence the thalamocortical loop, leading to some attention deficits observed in ADHD. METHOD: First, we model physiological properties of thalamic neurons with a set of mathematical equations. Next, we simulate computationally the modeled thalamocortical loop under different levels of mesothalamic dopamine, and also the mesocortical dopaminergic decrease. RESULTS: Low levels of mesothalamic dopamine hinders the attentional shift and, high levels of such neuromodulator lead to distraction. When such alterations occur together with a decrease in the mesocortical dopamine level, the attention deficit turns into incapacity of perceiving environmental stimuli, due to a no winner competition between low activated thalamic areas. Inattention in ADHD also has its origins in dopaminergic disturbs throughout the mesothalamic pathway, which enhance a high focusing or do not allow the attention focus consolidation. CONCLUSION: In ADHD, the inattention is related to dopaminergic alterations that are not restricted to the mesocortical system.