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Uma questão de longa data na neurociência é como os cérebros dos mamíferos (incluindo o nosso) se adaptam a ambientes externos, informações e experiências. Em um estudo de mudança de paradigma publicado em Natureza, pesquisadores do Jan e Dan Duncan Neurological Research Institute (Duncan NRI) no Texas Children’s Hospital e Baylor College of Medicine descobriram as etapas mecanicistas subjacentes a um novo tipo de plasticidade sináptica chamada plasticidade sináptica de escala de tempo comportamental (BTSP). O estudo, liderado pelo Dr. Jeffrey Magee, professor do Baylor, que também é Howard Hughes Medical Institute, e investigador do Duncan NRI, revela como o córtex entorrinal (CE) envia sinais instrutivos para o hipocampo – a região do cérebro crítica para navegação, codificação de memória e consolidação – e o direciona para reorganizar especificamente a localização e a atividade de um subconjunto específico de seus neurônios para obter um comportamento alterado em resposta ao ambiente em mudança e às pistas espaciais.
Os neurônios se comunicam uns com os outros transmitindo sinais elétricos ou químicos através de junções chamadas sinapses. A plasticidade sináptica refere-se à capacidade adaptativa dessas conexões neuronais de se tornarem mais fortes ou mais fracas ao longo do tempo, como uma resposta direta às mudanças em seu ambiente externo. Essa capacidade adaptativa de nossos neurônios de responder com rapidez e precisão a estímulos externos é fundamental para nossa sobrevivência e crescimento e forma a base neuroquímica para o aprendizado e a memória.
A atividade cerebral e o comportamento de um animal se adaptam rapidamente em resposta a mudanças espaciais
Para identificar o mecanismo subjacente à capacidade de aprendizagem adaptativa do cérebro dos mamíferos, uma pós-doutoranda do laboratório Magee e principal autora do estudo, a Dra. Christine Grienberger, mediu a atividade de um grupo específico de células de lugar, que são neurônios hipocampais especializados que construir e atualizar ‘mapas’ de ambientes externos. Ela conectou um poderoso microscópio ao cérebro desses camundongos e mediu a atividade dessas células enquanto os camundongos corriam em uma esteira linear.
Na fase inicial, os camundongos foram aclimatados a essa configuração experimental e a posição da recompensa (água com açúcar) foi alterada a cada volta. “Nesta fase, os camundongos correram continuamente na mesma velocidade enquanto lambiam a pista continuamente. Isso significava que as células de lugar nesses camundongos formavam um padrão de ladrilhos uniforme”, disse o Dr. Grienberger, que atualmente é professor assistente na Brandeis University.
Na fase seguinte, ela fixou a recompensa em um local específico da pista junto com algumas dicas visuais para orientar os camundongos e mediu a atividade do mesmo grupo de neurônios. “Vi que mudar o local da recompensa alterava o comportamento desses animais. Os camundongos agora desaceleravam brevemente antes do local da recompensa para provar a água com açúcar. E o mais interessante, essa mudança de comportamento foi acompanhada por aumento da densidade e atividade das células do lugar ao redor. o local de recompensa. Isso indicou que as mudanças nas pistas espaciais podem levar à reorganização adaptativa e à atividade dos neurônios do hipocampo”, acrescentou o Dr. Grienberger.
Esse paradigma experimental permitiu que os pesquisadores explorassem como as mudanças nas pistas espaciais moldam os cérebros dos mamíferos para provocar novos comportamentos adaptativos.
Por mais de 70 anos, a teoria hebbiana que é coloquialmente resumida como “neurônios que disparam juntos, se conectam”, dominou de forma singular a visão dos neurocientistas de como as sinapses se tornam mais fortes ou mais fracas ao longo do tempo. Embora essa teoria bem estudada seja a base de vários avanços no campo da neurociência, ela tem algumas limitações. Em 2017, pesquisadores do laboratório Magee descobriram um novo e poderoso tipo de plasticidade sináptica – plasticidade sináptica de escala de tempo comportamental (BTSP) – que supera essas limitações e oferece um modelo que melhor imita a escala de tempo de como aprendemos ou lembramos de eventos relacionados em Vida real.
Usando o novo paradigma experimental, o Dr. Grienberger observou que, na segunda fase, neurônios de células de lugar que antes eram silenciosos adquiriram campos de lugar grandes abruptamente em uma única volta após a localização da recompensa ser fixada. Essa descoberta é consistente com uma forma não-hebbiana de plasticidade sináptica e aprendizado. Experimentos adicionais confirmaram que as mudanças adaptativas observadas nas células do hipocampo e no comportamento desses camundongos eram de fato devidas ao BTSP.
O córtex entorrinal instrui as células do hipocampo sobre como responder às mudanças espaciais
Com base em seus estudos anteriores, a equipe de Magee sabia que o BTSP envolve um sinal instrutivo/supervisor que não está necessariamente dentro ou adjacente aos neurônios-alvo (neste caso, as células do hipocampo) que estão sendo ativadas. Para identificar a origem desse sinal instrutivo, eles estudaram as projeções axonais de uma região próxima do cérebro chamada córtex entorrinal (EC), que inerva o hipocampo e atua como uma porta de entrada entre o hipocampo e as regiões neocorticais que controlam o executivo superior/tomada de decisão. processos.
“Descobrimos que quando inibimos especificamente um subconjunto de axônios de EC que inervam os neurônios do hipocampo CA1 dos quais estávamos gravando, isso impediu o desenvolvimento de super-representações de recompensa de CA1 no cérebro”, disse Magee.
Com base em várias linhas de investigações, eles concluíram que o córtex entorrinal fornece um sinal instrutivo alvo relativamente invariável que direciona o hipocampo para reorganizar a localização e a atividade das células locais que, por sua vez, afetam o comportamento do animal.
“A descoberta de que uma parte do cérebro (complexo entorrinal) pode direcionar outra região do cérebro (hipocampo) para alterar a localização e atividade de seus neurônios (células de lugar) é uma descoberta extraordinária na neurociência”, acrescentou Magee. “Isso muda completamente nossa visão de como ocorrem as mudanças dependentes do aprendizado no cérebro e revela novos campos de possibilidades que transformarão e orientarão como abordamos distúrbios neurológicos e neurodegenerativos no futuro”.
Este estudo foi financiado pelo Howard Hughes Medical Institute, a Cullen Foundation e o Jan e Dan Duncan Neurological Research Institute no Texas Children’s Hospital.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Hospital Infantil do Texas. Original escrito por Rajalaxmi Natarajan. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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