Sincronia Cortical
NeuroLab
Sincronia Cerebral e Epilepsia
1.000 neurônios ligados de verdade uns aos outros — veja a crise nascer da própria rede, não desenhada
Mexer nos sliders abaixo tira o preset da seleção — os presets são só pontos de partida validados.
Escala direto o peso das sinapses inibitórias. Benzodiazepínico/álcool sobem; convulsivante tipo picrotoxina desce.
Escala o peso das sinapses excitatórias.
Escala o ruído de fundo que chega em cada neurônio — o tônus do sistema ativador reticular.
Cada tipo tem o par (a,b,c,d) canônico do catálogo de Izhikevich — proporção muda quantos neurônios são daquele tipo, ganho muda o quanto de corrente de fundo cada um recebe.
O restante dos excitatórios fica RS (regular spiking).
O restante dos inibitórios fica FS (fast spiking). Começa em 100% — era a composição original.
800 neurônios excitatórios e 200 inibitórios, conectados por uma matriz de pesos sinápticos dependente de distância — cada disparo soma corrente nos neurônios conectados a ele. GABA e Glutamato escalam essa matriz de verdade; não são cosméticos.
A cor de cada ponto segue o potencial de membrana: azul é hiperpolarizado, escuro é o repouso (-65 mV) e tons quentes marcam a despolarização subindo até o disparo. O flash colorido no instante do disparo identifica o tipo de neurônio — veja a legenda abaixo dos traçados.
Rajadas por tipo de neurônio (v ao vivo)
Cada painel é o v(t) de um neurônio de verdade dentro da rede, não uma célula isolada em bancada — a rajada que aparece é a que ele está tendo com sinapse real chegando nele. Só aparecem painéis dos tipos com proporção acima de 0%.
LFP · corrente sináptica somada (janela = 4 s)
Izhikevich EM. IEEE Trans Neural Netw. 2003;14(6):1569-1572. doi:10.1109/TNN.2003.820440.
Izhikevich EM. Which model to use for cortical spiking neurons? IEEE Trans Neural Netw. 2004;15(5):1063-1070. doi:10.1109/TNN.2004.832719.
Demonstração · Reentrada
Como um foco rotatório nasce e se sustenta
6.400 neurônios numa grade, conectados só aos 8 vizinhos imediatos — sem conexão de longo alcance. Um estímulo isolado (S1) sempre morre nas bordas: é só uma onda circular comum. Mas um segundo estímulo (S2), aplicado apenas num quadrante enquanto parte da rede ainda está refratária do primeiro, cria uma ponta de onda livre de um lado e bloqueada do outro — e essa ponta se enrola sozinha numa espiral que gira indefinidamente, sem mais nenhum estímulo externo. É o mesmo mecanismo da reentrada em arritmia cardíaca; aqui, o análogo é um foco epiléptico que se autossustenta.
Reduz o ganho de acoplamento local. O rotor encolhe e fica mais fraco, mas raramente é abolido de vez.
Contraintuitivo: acima de ~150% a reentrada tende a se extinguir, não a piorar — excitação demais sincroniza a refratariedade e apaga o rotor.
Ignição ectópica espontânea e independente por neurônio. Sozinho, quase nunca gera reentrada — mostra por que o protocolo S1→S2 é o caminho confiável.
“Só S1” mostra o caso comum: uma onda circular que se expande e se apaga sozinha nas bordas, sem nenhuma reentrada — é o que a maioria dos estímulos isolados faz. “Protocolo S1 → S2” aplica o segundo estímulo ~160 ms depois, só no quadrante superior-esquerdo, e é aí que a espiral nasce. Os sliders acima entram na dinâmica ao vivo — mexer neles não reinicia o registro.
Roteiro de prática
Como uma rede de neurônios normais vira uma crise
Quatro experimentos guiados numa rede de 1.000 neurônios de verdade, conectados uns aos outros. Ao final você deve conseguir explicar, com dados próprios, por que uma crise epiléptica não precisa de um “gerador de crise” separado — ela é o mesmo circuito da vigília, deslocado de estado por um desequilíbrio entre excitação e inibição.
Duração estimada: 45 minutos · Pré-requisitos: potencial de ação, sinapse excitatória e inibitória, noção de rede neural
Antes de começar: o que você está vendo +
Cada ponto do mapa é um neurônio de verdade, simulado pelo modelo de Izhikevich, e as sinapses entre eles também são reais — a atividade coletiva que você vê nasce da rede, não é desenhada. A cor de cada ponto segue o potencial de membrana: azul é hiperpolarizado, escuro é o repouso (−65 mV), tons quentes marcam a despolarização subindo até o disparo.
Painel “Rajadas por tipo de neurônio”: o v(t) de um neurônio de cada tipo dentro da rede — RS (regular spiking), IB (rajada intrínseca), CH (chattering), FS (fast spiking) e LTS (limiar baixo). É a resposta real de cada tipo à sinapse que está chegando nele, não uma célula isolada em bancada.
Painel LFP: a corrente sináptica somada da rede inteira numa janela de 4 s — o equivalente simulado a um eletrodo de campo local.
Cartões de status: quantos neurônios estão disparando naquele instante, a sincronia da rede em percentual, e o valor do LFP.
Moduladores sinápticos: GABA (inibição) e Glutamato (excitação) escalam o peso das sinapses; Adrenérgicos escala o ruído de fundo que chega em cada neurônio — o tônus do sistema ativador reticular.
Mexer em qualquer slider tira o preset da seleção — os quatro estados clínicos (Vigília, Sono profundo, Descarga espícula-onda, Crise generalizada) são só pontos de partida validados. Use Nova rede para reiniciar do zero entre experimentos.
01 Onde fica o limiar da crise? +
Hipótese a testar
Se eu reduzir a inibição gradualmente, a sincronia da rede sobe aos poucos, de forma proporcional. Verdadeiro ou falso?
Procedimento
- Clique em Nova rede e selecione o preset Vigília. Deixe estabilizar por alguns segundos e anote sincronia e LFP.
- Sem mudar o Glutamato, reduza o GABA para 80% e anote os mesmos valores.
- Repita em 60%, 40%, 22% e 10%, sempre esperando alguns segundos antes de anotar.
- Observe o raster: procure o ponto exato em que ele deixa de parecer ruído e passa a “piscar” em bloco.
Registro
| GABA | Sincronia | LFP | Raster: ruído ou bloco? |
|---|---|---|---|
| 100% (Vigília) | |||
| 80% | |||
| 60% | |||
| 40% | |||
| 22% | |||
| 10% |
Para responder
- A sincronia subiu de forma gradual ou houve um salto abrupto entre dois valores de GABA vizinhos?
- Refaça o experimento agora subindo o Glutamato (mantendo GABA em 100%) em vez de baixar o GABA. O limiar de sincronia aparece no mesmo lugar, em termos da razão excitação/inibição?
- Por que faz sentido clínico que benzodiazepínicos (que sobem o GABA) sejam usados para interromper crises, e que substâncias convulsivantes tipicamente ajam bloqueando receptores GABAérgicos?
02 Nem todo neurônio contribui igual para a crise +
Contexto
RS, IB, CH, FS e LTS não são só rótulos: são padrões de disparo diferentes, cada um associado a um tipo real de neurônio cortical. IB dispara em rajada intrínseca mesmo isolado; CH (“chattering”) dispara em rajadas repetitivas rápidas; LTS dispara com pouca despolarização.
Procedimento
- Clique em Nova rede, mantenha o preset Vigília e anote a sincronia de base com a composição padrão de tipos.
- Zere a proporção de IB (tudo que era IB vira RS) e anote sincronia, LFP e o que sumiu do painel de rajadas.
- Restaure e agora suba CH para o máximo, mantendo IB e LTS como estavam.
- Restaure e zere LTS (limiar baixo).
Registro
| Composição | Sincronia | LFP | Mudança no raster/rajadas |
|---|---|---|---|
| Padrão | |||
| IB = 0% | |||
| CH = máximo | |||
| LTS = 0% |
Para responder
- Qual mudança de composição teve maior efeito sobre a sincronia — mexer em IB, CH ou LTS?
- LTS é um tipo inibitório de limiar baixo. Zerá-lo aumentou ou diminuiu a sincronia? Isso é coerente com o papel dele na rede?
- Com base no que você viu, formule uma frase sobre por que “excitação versus inibição” é uma simplificação — a identidade dos neurônios de cada lado também importa.
03 O tônus de fundo muda o estado sem mudar a rede +
Hipótese a testar
A diferença entre vigília e sono profundo pode não estar em GABA nem em Glutamato, mas no ruído de fundo (Adrenérgicos) que chega em cada neurônio — o equivalente ao sistema ativador reticular.
Procedimento
- Selecione o preset Vigília e anote os valores de GABA, Glutamato e Adrenérgicos que ele carrega, além da sincronia.
- Selecione o preset Sono profundo e anote os mesmos três sliders e a sincronia.
- Volte ao preset Vigília e mude manualmente só o Adrenérgicos para o valor que você anotou em Sono profundo, sem tocar em GABA nem Glutamato.
- Compare o resultado com o preset Sono profundo original.
Registro
| Condição | GABA | Glutamato | Adrenérgicos | Sincronia |
|---|---|---|---|---|
| Vigília (preset) | ||||
| Sono profundo (preset) | ||||
| Vigília + Adrenérgicos do sono |
Para responder
- Baixar só o Adrenérgicos foi suficiente para reproduzir o padrão de Sono profundo, ou GABA/Glutamato também mudam entre os dois presets?
- Isso é coerente com a ideia de que sono e vigília são regulados por sistemas diferentes do que controla excitação/inibição local (veja o simulador de Ritmos, Vigília e Ativação Cortical)?
- Clinicamente, por que privação de sono é um gatilho conhecido de crise em pacientes com epilepsia, se sono profundo por si só reduz a sincronia neste modelo? Pense no que acontece na transição entre estados, não só nos estados estáveis.
04 Um contínuo ou quatro estados separados? +
Pergunta central
Vigília, sono profundo, descarga espícula-onda e crise generalizada são quatro categorias distintas, ou pontos ao longo de um mesmo eixo de excitação/inibição?
Procedimento
- Rode, um de cada vez, os quatro presets: Vigília, Sono profundo, Descarga espícula-onda, Crise generalizada.
- Para cada um, anote GABA, Glutamato, sincronia e LFP.
- Ordene os quatro presets pela razão Glutamato/GABA, do menor para o maior.
Registro
| Preset | GABA | Glutamato | Sincronia | LFP |
|---|---|---|---|---|
| Vigília | ||||
| Sono profundo | ||||
| Descarga espícula-onda | ||||
| Crise generalizada |
Para responder
- A ordenação pela razão Glutamato/GABA colocou os quatro presets na ordem clínica esperada (do estado mais “calmo” ao mais hiperexcitável)?
- Sono profundo tem sincronia baixa ou alta? Se for alta, isso contradiz a ideia de um eixo único — investigue se o que difere sono profundo de crise é a sincronia em si ou outro parâmetro (frequência, Adrenérgicos, composição de tipos).
- Descarga espícula-onda costuma ser descrita clinicamente como intermediária entre atividade normal e crise generalizada. Isso aparece nos seus números de sincronia e LFP?
Síntese: o que levar desta prática +
Escreva um parágrafo, com suas palavras e citando pelo menos três dos seus próprios dados, respondendo: por que uma crise epiléptica pode ser entendida como uma propriedade emergente da rede, e não como o disparo de um “centro convulsivo”?
Use o botão Salvar imagem do simulador para anexar raster, rajadas e LFP ao seu relatório, junto com os valores de GABA, Glutamato e Adrenérgicos de cada rodada.
Para ir além
Tente encontrar uma combinação de GABA e Glutamato fora dos quatro presets que produza sincronia intermediária (entre 30% e 60%) de forma estável, sem oscilar entre crise e normalidade. Isso existe, ou a transição é sempre abrupta? O que isso sugere sobre por que crises têm início e fim relativamente bem definidos, em vez de intensidade gradual?