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Em 1906, o cientista espanhol Santiago Ramón y Cajal ganhou o Prêmio Nobel por seus estudos pioneiros sobre as estruturas microscópicas do cérebro. Seus famosos desenhos das células de Purkinje no cerebelo mostram uma floresta de estruturas de neurônios, com vários grandes ramos brotando do corpo celular e se dividindo em belos padrões semelhantes a folhas.
Embora essas representações iniciais tenham capturado vários dendritos que se estendem do corpo celular, a sabedoria predominante entre os neurocientistas até hoje é que as células de Purkinje têm apenas um dendrito primário que se conecta a uma única fibra ascendente do tronco cerebral. Nova pesquisa da Universidade de Chicago publicada esta semana na Ciência mostra que os desenhos de Cajal eram precisos o tempo todo, no entanto – quase todas as células de Purkinje no cerebelo humano têm múltiplos dendritos primários.
Estudos posteriores em camundongos mostraram que cerca de 50% de suas células de Purkinje também têm essa estrutura mais complexa e, dessas células, 25% recebem informações de várias fibras trepadeiras que se conectam com diferentes ramificações dendríticas primárias. Experimentos registrando a atividade celular em camundongos vivos também revelaram que os ramos primários podem ser ativados independentemente, respondendo a diferentes estímulos do ambiente.
“Quanto mais você trabalha com um certo protótipo de célula em sua mente, mais você o aceita”, disse Christian Hansel, PhD, professor de neurobiologia da UChicago e autor sênior do estudo, referindo-se ao modelo canônico que as células de Purkinje possuem. um dendrito primário que se conecta com uma fibra de escalada. “Esses desenhos de Cajal existem desde 1900, então definitivamente tivemos tempo suficiente para prestar atenção, mas só agora, com essa análise quantitativa, vemos que é quase universal que as células humanas tenham múltiplos dendritos completos cada uma, e podemos ver que faz uma diferença qualitativa também.”
Reescrevendo uma ideia de livro didático
O cerebelo (do latim, ‘pequeno cérebro’) fica na base do crânio, logo acima de onde a medula espinhal se conecta. Desde que o médico francês Jean Pierre Flourens descreveu pela primeira vez a função do cerebelo em 1824, os cientistas acreditavam que seu único trabalho era coordenar o movimento e a atividade muscular, mas os avanços na tecnologia mostraram que o cerebelo também desempenha um papel significativo no processamento de informações sobre as funções internas e externas do corpo. ambiente externo, incluindo sensações de propriocepção e equilíbrio.
As células de Purkinje do cerebelo são como grandes antenas que recebem milhares de entradas que transmitem um espectro de informações contextuais do resto do corpo. Esses sinais são então integrados a um sinal de erro de previsão, indicando uma incompatibilidade entre o contexto e a expectativa do cérebro. Este sinal de erro é fornecido por fibras nervosas que sobem do tronco cerebral e se conectam com suas estruturas-alvo de dendritos de Purkinje. Muito apropriadamente, esses nervos são chamados de “fibras de escalada”.
O entendimento padrão dessas conexões é que cada célula de Purkinje tem um dendrito primário que se ramifica do corpo celular e se conecta com uma fibra trepante, formando uma única unidade computacional. A crença nessa relação um-para-um entre fibras trepadeiras e células de Purkinje, um dogma central no campo que pode ser encontrado em todos os livros de neurociência, vem em grande parte de estudos com roedores, que têm principalmente a configuração dendrítica única.
Muitos estudos dessas estruturas no passado se concentraram em pequenos números de células, portanto, para esta nova pesquisa, Silas Busch, um estudante de doutorado no laboratório de Hansel e primeiro autor do artigo, começou observando milhares de células de seres humanos e humanos. tecido de rato. Ele usou uma técnica de coloração baseada em anticorpos, conhecida como imuno-histoquímica, para marcar seletivamente as células de Purkinje em fatias finas do cerebelo. Ele então categorizou a estrutura de todas as células que pôde observar e descobriu que mais de 95% das células de Purkinje humanas tinham múltiplos dendritos primários, enquanto em camundongos esse número estava muito próximo da metade.
“Você tem uma noção de quanto essa era uma ideia predominante no campo porque, anatomicamente, eles são chamados de dendritos ‘primários’ de uma célula”, disse Busch. “Portanto, até mesmo a descrição da estrutura dessas células é baseada naquele protótipo de camundongo que tem um dendrito que você pode chamar de dendrito primário”.
Essa notável diferença de espécies, em uma das áreas cerebrais mais conservadas evolutivamente, compartilhada entre mamíferos e até mesmo outros vertebrados, levou Busch e Hansel a perguntar se poderia haver uma consequência funcional em ter vários dendritos primários em vez de apenas um. A fibra trepadeira, com uma relação auspiciosa um-para-um e um emaranhado íntimo do dendrito primário, foi o primeiro suspeito.
Usando seções do cerebelo de camundongos que continham células ainda vivas, Busch injetou as células com corante para ver seus ramos e, em seguida, estimulou entradas de fibras trepadeiras. Ele observou que 25% das células com múltiplos dendritos primários receberam múltiplas fibras trepadeiras, reescrevendo uma ideia de livro didático de que cada célula de Purkinje recebe apenas uma entrada de fibra trepadeira, enquanto as células com um único dendrito primário não.
Ratos ambulantes e bigodes balançando
Incentivado por esta descoberta de que uma porção considerável – embora uma minoria – de células de Purkinje com múltiplos dendritos primários também receberam informações de múltiplas fibras trepadeiras, Busch conduziu uma série de experimentos em camundongos vivos para ver se isso levava a diferenças funcionais no corpo vivo. rato. Primeiro, ele injetou um corante fluorescente indicador de cálcio no cerebelo e implantou uma pequena janela de vidro para observar posteriormente o fluxo de cálcio nos dendritos das células de Purkinje. Ao restringir a cabeça do camundongo sob um microscópio enquanto ele corria em uma esteira, ele pôde medir o fluxo de cálcio que indicava quando uma fibra trepadeira está fornecendo uma entrada forte para a célula. Em células com um dendrito primário, imagens de alta resolução mostraram que o sinal de atividade era uniforme em toda a sua estrutura; em células com múltiplos dendritos primários, ele pôde detectar atividade em cada lado ocorrendo em momentos diferentes, o que significa que um dendrito poderia ser ativado por sua fibra trepante, enquanto o outro dendrito na mesma célula não.
Em seguida, Busch queria ver se conseguia identificar a atividade individual das fibras de escalada usando um estímulo mais preciso: os bigodes do camundongo. Para este experimento, porém, Busch teve que sedar os camundongos (“Não sei se você já tentou estimular bigodes individuais em um camundongo acordado, mas é muito difícil”, disse ele). Com os ratos dormindo, Busch enfiou bigodes individuais em um pequeno tubo de vidro e os balançou para frente e para trás. Aqui, ele também pôde ver atividade em ramos dendríticos distintos das células de Purkinje, sugerindo que fibras trepadeiras individuais sinalizavam a entrada de bigodes individuais para dendritos individuais.
Finalmente, para um cenário mais real, Busch também testou camundongos acordados com vários estímulos, como flashes de luz, sons ou sopros de ar no bigode. Mais uma vez, ele viu diferenças entre as células de Purkinje. Em alguns, um ramo favoreceria diferencialmente um estímulo, de modo que poderia ser particularmente responsivo à luz, mas não ao som. Então o outro ramo pode responder preferencialmente ao som, mas não à luz.
“Isso aconteceu em uma minoria de células, já que há menos com ramificações múltiplas em camundongos, e nem todas recebem múltiplas fibras trepadeiras, mas ainda assim, a presença desse efeito foi muito interessante”, disse Busch. “Isso confirmou a ideia de que as duas entradas de fibra de escalada terão propósitos funcionais diferentes que representam informações diferentes”.
A conectividade do cerebelo torna-se mais clara
Esta nova evidência subverte o pensamento padrão sobre uma área do cérebro que se pensa ser razoavelmente resolvida anatomicamente e também tem consequências funcionais. À medida que as fibras trepadeiras fornecem informações do tronco cerebral, as células de Purkinje agregam e processam essas informações. Múltiplas entradas conectadas em vários pontos nas células fornecem mais poder computacional, permitindo que os circuitos cerebrais se adaptem e respondam a mudanças no ambiente ou no corpo que exigem movimentos diferentes, e essa conectividade não canônica está intimamente ligada à estrutura dos dendritos das células de Purkinje .
Também há evidências de que essas conexões no cerebelo podem estar envolvidas em doenças. Em 2013, por exemplo, Hansel trabalhou em um estudo com o neurologista da UChicago Christopher Gomez, MD, PhD, mostrando que as conexões de fibras de escalada de Purkinje são mais fracas em modelos de ratos com ataxia cerebelar, um distúrbio do movimento. Por outro lado, Busch, Hansel e Gomez publicaram um trabalho com a ex-aluna de pós-graduação da UChicago, Dana Simmons, mostrando que essas conexões são mais fortes na duplicação genética e nos modelos de superexpressão do autismo. Outros pesquisadores também demonstram conexões mais fortes em certos tipos de tremores. Compreendendo mais sobre as estruturas biológicas essenciais dessas células, esperamos fornecer mais informações sobre essas condições.
“As pessoas que estudam outras partes do cérebro, como o neocórtex ou o hipocampo, sempre têm mais ou menos uma ideia do que essa estrutura cerebral está fazendo”, disse Hansel. “Nós que estudamos o cerebelo sempre tivemos essa ideia de que é coordenação motora e adaptação, mas também ficou claro que era algo além disso. Agora será mais fácil de entender à medida que a conectividade ficar mais clara.”
O estudo, “Climbing fiber multi-inervation of mouse Purkinje dendrites with arborization common to human”, foi financiado pelo NIH/National Institute of Neurological Disorders and Stroke (concede R21NS124217 e F31NS129256) e pela Universidade de Chicago Pritzker Fellowship.
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