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Em humanos, o processo de aprendizado é conduzido por diferentes grupos de células no cérebro disparando juntas. Por exemplo, quando os neurônios associados ao processo de reconhecimento de um cão começam a disparar de forma coordenada em resposta às células que codificam as características de um cão — quatro patas, pelo, um rabo, etc. — uma criança pequena eventualmente será capaz de identificar cães daqui para frente. Mas a fiação cerebral começa antes que os humanos nasçam, antes que eles tenham experiências ou sentidos como a visão para guiar esse circuito celular. Como isso acontece?
Em um novo estudo publicado em 15 de agosto em CiênciaPesquisadores de Yale identificaram como as células cerebrais começam a se unir nessa rede conectada no desenvolvimento inicial antes que a experiência tenha a chance de moldar o cérebro. Acontece que o desenvolvimento muito inicial segue as mesmas regras do desenvolvimento posterior — células que disparam juntas se conectam. Mas, em vez da experiência ser a força motriz, é a atividade celular espontânea.
“Uma das questões fundamentais que estamos buscando é como o cérebro é conectado durante o desenvolvimento”, disse Michael Crair, coautor sênior do estudo e professor William Ziegler III de Neurociência na Escola de Medicina de Yale. “Quais são as regras e mecanismos que governam a conexão cerebral? Essas descobertas ajudam a responder a essa pergunta.”
Para o estudo, os pesquisadores se concentraram em células ganglionares da retina de camundongos, que se projetam da retina para uma região do cérebro chamada colículo superior, onde se conectam a neurônios-alvo a jusante. Os pesquisadores mediram simultaneamente a atividade de uma única célula ganglionar da retina, as mudanças anatômicas que ocorreram naquela célula durante o desenvolvimento e a atividade das células circundantes em camundongos neonatais acordados cujos olhos ainda não haviam se aberto. Este experimento tecnicamente complexo foi possível graças a técnicas avançadas de microscopia e proteínas fluorescentes que indicam atividade celular e mudanças anatômicas.
Pesquisas anteriores mostraram que antes que a experiência sensorial possa ocorrer — por exemplo, quando os humanos estão no útero ou, nos dias antes de os camundongos jovens abrirem os olhos — a atividade neuronal gerada espontaneamente se correlaciona e forma ondas. No novo estudo, os pesquisadores descobriram que quando a atividade de uma única célula ganglionar da retina era altamente sincronizada com ondas de atividade espontânea nas células circundantes, o axônio da célula única — a parte da célula que se conecta a outras células — criava novos ramos. Quando a atividade era mal sincronizada, os ramos do axônio eram eliminados.
“Isso nos diz que quando essas células disparam juntas, as associações são fortalecidas”, disse Liang Liang, coautor sênior do estudo e professor assistente de neurociência na Escola de Medicina de Yale. “A ramificação dos axônios permite que mais conexões sejam feitas entre a célula ganglionar da retina e os neurônios que compartilham a atividade sincronizada no circuito do colículo superior.”
Essa descoberta segue o que é conhecido como “regra de Hebb”, uma ideia apresentada pelo psicólogo Donald Hebb em 1949; naquela época, Hebb propôs que quando uma célula faz com que outra célula dispare repetidamente, as conexões entre as duas são fortalecidas.
“A regra de Hebb é bastante aplicada em psicologia para explicar a base cerebral do aprendizado”, disse Crair, que também é vice-reitor de pesquisa e professor de oftalmologia e ciência visual. “Aqui mostramos que ela também se aplica durante o desenvolvimento cerebral inicial com precisão subcelular.”
No novo estudo, os pesquisadores também conseguiram determinar onde no ramo celular a formação tinha maior probabilidade de ocorrer, um padrão que foi interrompido quando os pesquisadores perturbaram a sincronização entre a célula e as ondas espontâneas.
A atividade espontânea ocorre durante o desenvolvimento em vários outros circuitos neurais, incluindo na medula espinhal, hipocampo e cóclea. Embora o padrão específico de atividade celular seja diferente em cada uma dessas áreas, regras semelhantes podem governar como a fiação celular ocorre nesses circuitos, disse Crair.
No futuro, os pesquisadores explorarão se esses padrões de ramificação do axônio persistem depois que os olhos do rato se abrem e o que acontece com o neurônio conectado a jusante quando uma nova ramificação do axônio se forma.
“Os laboratórios Crair e Liang continuarão a combinar nossa experiência em desenvolvimento cerebral e imagens de células individuais para examinar como a montagem e o refinamento dos circuitos cerebrais são guiados por padrões precisos de atividade neural em diferentes estágios de desenvolvimento”, disse Liang.
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Instituto Kavli de Neurociência da Faculdade de Medicina de Yale.
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