CIÊNCIAS: A CIÊNCIA SE APROXIMA CADA VEZ MAIS DE COMO SÃO PROCESSADAS AS SINAPSES NO CÉREBRO

Um estudo revolucionário sobre as sinapses que ocorrem no cérebro é o destaque da edição desta segunda-feira, aqui na coluna CIÊNCIAS. Descoberta deverá ajudar em tratamento como o do estresse pós-traumático. Convido você a ler o artigo completo a seguir e conhecer os detalhes.

Estudo mostra como as memórias são armazenadas no cérebro

Aprendizado faz conexões entre neurônios proliferarem em algumas áreas e desaparecerem em outras; descoberta deverá ajudar em tratamentos como o do estresse pós-traumático

Software especializado desenvolvido pela equipe de pesquisa cria um mapa da localização e tamanho específicos das sinapses a partir da imagem tridimensional do microscópio. Comparando os mapas de sinapses de antes e depois do aprendizado, podemos identificar sinapses que foram criadas ou eliminadas no processo. A linha vermelha na figura da direita mostra um limite entre as regiões do cérebro que mostram o ganho geral e a perda geral. Crédito: Don Arnold, Universidade do Sul da Califórnia

Que mudanças físicas ocorrem no cérebro quando uma memória é feita? Pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia (EUA) responderam pela primeira vez a essa pergunta induzindo uma memória em uma larva de peixe-zebra e mapeando mudanças em suas cabeças transparentes com células cerebrais bem iluminadas.

Após seis anos de pesquisa, eles fizeram a descoberta inovadora de que o aprendizado faz com que as sinapses, as conexões entre os neurônios, proliferem em algumas áreas e desapareçam em outras, em vez de apenas mudar sua força, como comumente se pensa. Essas mudanças nas sinapses podem ajudar a explicar como as memórias são formadas e por que certos tipos de memórias são mais fortes que outros.

Liderado por Don Arnold, Scott E. Fraser e Carl Kesselman, da Universidade do Sul da Califórnia (USC), o estudo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Novo método e ferramentas

O estudo foi possível graças a um novo tipo de rotulagem de células e um microscópio personalizado inventado na USC. Os pesquisadores também desenvolveram uma forma pioneira de rastrear e arquivar os dados coletados para tornar suas descobertas o mais acessíveis e reproduzíveis possível.

Antes de seu trabalho, não era possível determinar a localização de uma sinapse em um cérebro vivo sem modificar sua estrutura e função. Isso inviabilizava comparações antes e depois da formação da memória.

Por meio de uma colaboração multidisciplinar entre a Escola Viterbi de Engenharia e o Colégio Dornsife de Letras, Artes e Ciências, ambos da USC, as equipes conseguiram determinar pela primeira vez a força e a localização das sinapses antes e depois do aprendizado no cérebro de um peixe-zebra vivo, um animal comumente usado para estudar a função cerebral. Os peixes-zebra são grandes o suficiente para ter cérebros que funcionam como os nossos, mas pequenos e transparentes o suficiente para oferecer uma janela para o cérebro vivo. Ao manterem o peixe intacto vivo, eles puderam comparar sinapses no mesmo cérebro ao longo do tempo, um avanço no campo da neurociência.

A fim de criar memórias para medir, a equipe de pesquisa teve de elaborar novos métodos para induzir uma larva de peixe-zebra a aprender. Os pesquisadores fizeram isso treinando os peixes de 12 dias de idade para associar uma luz acesa com o aquecimento na cabeça com um laser infravermelho, uma ação que eles procuraram evitar tentando nadar para longe. Os peixes que aprendessem a associar a luz ao laser iminente sacudiriam suas caudas, indicando que haviam aprendido. Cinco horas de treinamento depois, a equipe conseguiu observar e capturar mudanças significativas nos cérebros desses peixes-zebra.

DNA alterado

Além de criar essa nova abordagem, Arnold, neurocientista do Colégio Dornsife e professor de ciências biológicas e engenharia biomédica, liderou uma equipe que criou novos métodos para alterar o DNA do peixe a fim de que a força e a localização de uma sinapse fossem marcadas com um proteína fluorescente que brilha quando escaneada por um laser.

“Nossas sondas podem rotular sinapses em um cérebro vivo sem alterar sua estrutura ou função, o que não era possível com ferramentas anteriores”, disse Arnold.

Isso possibilitou que o microscópio especializado desenvolvido pela equipe de Fraser escaneasse o cérebro e a imagem onde as sinapses estavam localizadas.

“O microscópio que construímos foi adaptado para resolver esse desafio de imagem e extrair o conhecimento de que precisávamos”, disse Fraser, professor reitor de ciências biológicas e engenharia biomédica do Centro Michelson de Biociência Convergente da USC. “Às vezes, você tenta obter uma imagem tão espetacular que mata o que está vendo. Para este experimento, tivemos de encontrar o equilíbrio certo entre obter uma imagem que fosse boa o suficiente para obter respostas, mas não tão espetacular que matasse os peixes com fótons.”

Imagens de microscópio fornecem uma composição tridimensional do cérebro do peixe-zebra. Pequenos pontos verdes são sinapses. Pontos verdes maiores são o núcleo dos neurônios no cérebro do peixe. Crédito: Don Arnold, Universidade do Sul da Califórnia
Microscópio e algoritmos inovadores

Com este microscópio inovador, eles puderam observar mudanças em animais vivos e obter imagens antes e depois das mudanças no mesmo espécime. Anteriormente, como os experimentos eram realizados em espécimes falecidos, eles só podiam comparar dois cérebros diferentes, um condicionado, outro não.

“Isso é imagem ninja, nós entramos sem ser notados”, disse Fraser.

O resultado foram centenas de imagens e experimentos que tiveram de ser processados ​​e analisados. Um terceiro grupo, liderado por Kesselman – cientista da computação do Centro Michelson Center de Biociência Convergente e professor de Engenharia da Escola Viterbi –, desenvolveu algoritmos inovadores que tornaram isso possível, mantendo o controle dos grandes e complexos experimentos realizados ao longo da investigação.

Resultados surpreendentes

A principal conclusão ao analisar essas imagens: em vez de a memória fazer com que a força das sinapses existentes mude, as sinapses em uma parte do cérebro foram destruídas e sinapses completamente novas foram criadas em uma região diferente do cérebro.

“Nos últimos 40 anos, a sabedoria comum era que você aprende alterando a força das sinapses”, disse Kesselman. “Mas não foi isso que encontramos neste caso.”

“Este foi o melhor resultado possível que poderíamos ter tido”, afirmou Arnold, “porque vimos essa mudança dramática no número de sinapses – algumas desaparecendo, outras se formando, e vimos isso em uma parte muito distinta do cérebro. O dogma foi que as sinapses mudam sua força. Mas fiquei surpreso ao ver um fenômeno de puxar e empurrar, e que não vimos uma mudança na força das sinapses.”

Os resultados sugerem que mudanças no número de sinapses codificam memórias no experimento e podem ajudar a explicar por que memórias associativas negativas, como aquelas associadas ao transtorno do estresse pós-traumático (TEPT), são tão robustas.

“Pensa-se que a formação da memória envolve principalmente a remodelação das conexões sinápticas existentes”, disse Arnold, “enquanto neste estudo, encontramos a formação e eliminação de sinapses, mas vimos apenas pequenas mudanças aleatórias na força sináptica das sinapses existentes. Isso pode ser porque este estudo se concentrou em memórias associativas, que são muito mais robustas do que outras memórias e são formadas em um local diferente no cérebro, a amígdala, versus o hipocampo para a maioria das outras memórias. Isso pode algum dia ter relevância para o TEPT, que é pensado para ser mediado pela formação de memórias associativas.”

Garantia de acessibilidade

Um aspecto incomum do artigo e do estudo associado foi seu foco em como tornar os resultados da investigação o mais transparentes e reprodutíveis possível, tornando todos os dados associados ao artigo pesquisáveis ​​e disponíveis para qualquer cientista em um site disponível publicamente, Mapping the Dynamic Synaptome. A acessibilidade de todos os dados e códigos é essencial para a reprodução de resultados científicos, mas o acesso a todos os dados necessários para a produção de um artigo raramente é realizado. Por exemplo, estudos recentes mostraram que apenas 20% das pesquisas sobre o câncer são reproduzíveis porque os dados não estão disponíveis.

“A equipe da USC estabeleceu um novo padrão para o acesso a dados, pois todos os dados gerados durante a investigação de seis anos foram capturados e organizados para esta pesquisa”, disse Kesselman, que projetou esse novo paradigma. “Abordamos esse problema desde o início criando um sistema abrangente projetado para compartilhamento e análise de dados. Foi útil durante nossos experimentos porque as equipes podem acessar os dados a qualquer momento e orientar aqueles que desejam usar nosso trabalhar no futuro.”

“Acredito realmente que este é o futuro da transparência na pesquisa, uma nova era, e a USC está à frente da curva”, afirmou Fraser.

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