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O córtex cerebral do cérebro produz a percepção com base na informação sensorial que é alimentada por uma região chamada tálamo.
“Como o tálamo se comunica com o córtex é uma característica fundamental de como o cérebro interpreta o mundo”, disse Elly Nedivi, William R. e Linda R. Young Professor no Picower Institute for Learning and Memory no MIT. Apesar da importância da entrada talâmica para o córtex, os neurocientistas têm lutado para entender como ela funciona tão bem, dada a relativa escassez de conexões observadas, ou “sinapses”, entre as duas regiões.
Para ajudar a fechar essa lacuna de conhecimento, Nedivi montou uma colaboração dentro e fora do MIT para aplicar vários métodos inovadores. Em um novo estudo em Natureza Neurociência, a equipe relata que as entradas talâmicas nas camadas superficiais do córtex não são apenas raras, mas também surpreendentemente fracas e bastante diversas em seus padrões de distribuição. Apesar disso, eles são representantes confiáveis e eficientes da informação agregada, e sua diversidade é o que fundamenta essas vantagens.
Essencialmente, ao mapear meticulosamente cada sinapse talâmica em 15 neurônios na camada 2/3 do córtex visual em camundongos e, em seguida, modelar como essa entrada afetou o processamento de informação visual de cada neurônio, a equipe descobriu que grandes variações no número e arranjo de sinapses talâmicas tornou-os diferencialmente sensíveis aos recursos de estímulo visual. Embora os neurônios individuais, portanto, não pudessem interpretar de maneira confiável todos os aspectos do estímulo, uma pequena população deles poderia, em conjunto, montar de maneira confiável e eficiente o quadro geral.
“Parece que essa heterogeneidade não é um bug, é um recurso que fornece não apenas um custo-benefício, mas também confere flexibilidade e robustez à perturbação”, disse Nedivi, autor correspondente do estudo e membro do corpo docente do MIT nos Departamentos de Biologia e Cérebro e Ciências Cognitivas.
Aygul Balcioglu, o cientista pesquisador do laboratório de Nedivi que liderou o trabalho, acrescentou que a pesquisa criou uma maneira de os neurocientistas rastrearem todas as muitas entradas individuais que uma célula recebe conforme essa entrada está acontecendo.
“Milhares de entradas de informações são despejadas em uma única célula cerebral. A célula cerebral então interpreta toda essa informação antes de comunicar sua própria resposta à próxima célula cerebral”, disse Balcioglu. “O que é novo e emocionante é que agora podemos descrever com segurança a identidade e as características dessas entradas, pois diferentes entradas e características transmitem informações diferentes para uma determinada célula cerebral. Nossas técnicas nos dão a capacidade de descrever em animais vivos onde em a estrutura da única célula que tipo de informação é incorporada. Isso não era possível até agora.”
‘MAP’ping e modelagem
A equipe de Nedivi e Balcioglu escolheu a camada 2/3 do córtex porque é nessa camada que existe flexibilidade ou “plasticidade” relativamente alta, mesmo no cérebro adulto. No entanto, a inervação talâmica raramente foi caracterizada. Além disso, disse Nedivi, embora o organismo modelo para o estudo tenha sido camundongos, essas camadas são as que mais se espessaram ao longo da evolução e, portanto, desempenham papéis especialmente importantes no córtex humano.
Mapear com precisão toda a inervação talâmica em neurônios inteiros na vida, perceber camundongos é tão assustador que nunca foi feito.
Para começar, a equipe usou uma técnica estabelecida no laboratório de Nedivi que permite observar neurônios corticais inteiros sob um microscópio de dois fótons usando três tags de cores diferentes na mesma célula simultaneamente, exceto neste caso, eles usaram uma das cores para rotular entradas talâmicas contato com os neurônios corticais rotulados. Sempre que a cor dessas entradas talâmicas se sobrepõem às sinapses excitatórias de marcação de cores nos neurônios corticais que revelam a localização de entradas talâmicas putativas nos neurônios corticais.
Os microscópios de dois fótons oferecem olhares profundos para os tecidos vivos, mas sua resolução não é suficiente para confirmar que os rótulos sobrepostos são de fato contatos sinápticos. Para confirmar suas primeiras indicações de entradas talâmicas, a equipe recorreu a uma técnica chamada MAP, inventada no laboratório do Instituto Picower do professor associado de engenharia química do MIT, Kwanghun Chung. O MAP aumenta fisicamente o tecido no laboratório, aumentando efetivamente a resolução dos microscópios padrão. Rebecca Gillani, pós-doutora no laboratório Nedivi, com a ajuda de Taeyun Ku, pós-doutoranda do Chung Lab, conseguiu combinar a nova rotulagem e o MAP para resolver, contar, mapear e até mesmo medir o tamanho de todas as sinapses talâmico-corticais em neurônios inteiros.
A análise revelou que as entradas talâmicas eram bastante pequenas (tipicamente presumidas como também fracas e talvez temporárias) e representavam entre 2 e 10 por cento das sinapses excitatórias em neurônios individuais do córtex visual. A variação no número de sinapses talâmicas não ocorreu apenas no nível celular, mas também em diferentes ramos “dendritados” de células individuais, respondendo por algo entre zero e quase metade das sinapses em um determinado ramo.
“Sabedoria da multidão”
Esses fatos colocaram a equipe de Nedivi em um dilema. Se as entradas talâmicas fossem fracas, esparsas e amplamente variáveis, não apenas entre os neurônios, mas também entre os dendritos de cada neurônio, quão boas poderiam ser para a transferência confiável de informações?
Para ajudar a resolver o enigma, Nedivi recorreu ao colega Idan Segev, professor da Universidade Hebraica de Jerusalém especializado em neurociência computacional. Segev e seu aluno Michael Doron usaram as medições anatômicas detalhadas do laboratório Nedivi e as informações fisiológicas do Allen Brain Atlas para criar um modelo biofisicamente fiel dos neurônios corticais.
O modelo de Segev mostrou que, quando as células recebiam informações visuais (os sinais simulados de observar uma grade passando pelos olhos), suas respostas elétricas variavam com base na variação de sua entrada talâmica. Algumas células se animaram mais do que outras em resposta a diferentes aspectos da informação visual, como contraste ou forma, mas nenhuma célula revelou muito sobre o quadro geral. Mas com cerca de 20 células juntas, toda a entrada visual pode ser decodificada de sua atividade combinada – a chamada “sabedoria da multidão”.
Notavelmente, Segev comparou o desempenho das células com entrada fraca, esparsa e variável, semelhante ao que o laboratório de Nedivi mediu, com o desempenho de um grupo de células que agiam como a melhor célula individual do lote. Até cerca de 5.000 sinapses totais, o “melhor” grupo de células forneceu resultados mais informativos, mas depois desse nível, o grupo pequeno, fraco e diverso teve um desempenho melhor. Na corrida para representar a entrada visual total com pelo menos 90% de precisão, o pequeno grupo fraco e diverso atingiu esse nível com cerca de 6.700 sinapses, enquanto o “melhor” grupo de células precisou de mais de 7.900.
“Assim, a heterogeneidade confere uma redução de custo em termos do número de sinapses necessárias para uma leitura precisa dos recursos visuais”, escreveram os autores.
Nedivi disse que o estudo levanta implicações tentadoras sobre como funciona a entrada talâmica no córtex. Uma delas, disse ela, é que, devido ao pequeno tamanho das sinapses talâmicas, é provável que elas exibam “plasticidade” significativa. Outra é que o benefício surpreendente da diversidade pode ser uma característica geral, não apenas um caso especial para entrada visual na camada 2/3. Mais estudos, entretanto, são necessários para ter certeza.
Além de Nedivi, Balcioglu, Gillani, Ku, Chung, Segev e Doron, outros autores são Kendyll Burnell e Alev Erisir.
O Instituto Nacional de Olhos dos Institutos Nacionais de Saúde, o Escritório de Pesquisa Naval e a Fundação JPB financiaram o estudo.
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