Notícia

Pesquisa mostra como memórias são armazenadas no cérebro, com potencial impacto em condições como o estresse pós-traumático

Divulgação, Universidade do Sul da Califórnia

Fonte

USC | Universidade do Sul da Califórnia

Data

quarta-feira, 12 janeiro 2022 11:30

Áreas

Biologia. Computação. Engenharia Biomédica. Neurociências.

Que mudanças físicas ocorrem no cérebro quando uma memória é registrada?

Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia (USC), nos Estados Unidos, pela primeira vez, respondeu a essa pergunta induzindo uma memória em uma larva de peixe-zebra e, em seguida, mapeando mudanças em suas cabeças transparentes com células cerebrais 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 intensidade, como se pensava. 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.

O estudo foi liderado pelos pesquisadores Dr. Don Arnold, Dr. Scott E. Fraser e Dr. Carl Kesselman, da USC.

Novo método e ferramentas

O estudo foi possível graças a um novo tipo de rotulagem de células e um microscópio personalizado desenvolvido na USC. Os pesquisadores também desenvolveram uma maneira para rastrear e arquivar os dados coletados para tornar suas descobertas mais acessíveis e reprodutíveis. Antes deste trabalho, não era possível determinar a localização de uma sinapse em um cérebro vivo sem modificar sua estrutura e função, inviabilizando comparações antes e depois da formação da memória.

Por meio de uma colaboração multidisciplinar entre a Escola de Engenharia e a Faculdade de Letras, Artes e Ciências da USC, as equipes foram capazes de determinar pela primeira vez a força e a localização das sinapses antes e depois de aprender, 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 permitir a observação do cérebro vivo. Ao manter o peixe intacto vivo, os pesquisadores foram capazes de 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 que criar novos métodos para induzir uma larva de peixe-zebra a ‘aprender’. Eles 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 tentaram evitar ao tentar nadar para longe. Os peixes que aprendessem a associar a luz com o 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.

Além de criar essa nova abordagem, o Dr. Don Arnold, neurocientista e professor de Ciências Biológicas e Engenharia Biomédica da USC, liderou uma equipe que criou novos métodos para alterar o DNA do peixe para 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 o professor Arnold. Isso possibilitou que o microscópio especializado desenvolvido pela equipe ‘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. Às vezes, você tenta obter uma imagem tão espetacular que mata o que está vendo. Para este experimento, tivemos que encontrar o equilíbrio certo entre obter uma imagem que fosse boa o suficiente para obter respostas, mas não tão espetacular a ponto de matar os peixes com fótons”, disse o Dr. Scott Fraser, professor da USC.

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.

O resultado foram centenas de imagens e experimentos que tiveram que ser processados ​​e analisados. Um terceiro grupo, liderado pelo Dr. Kesselman – cientista da computação da USC – desenvolveu algoritmos inovadores que tornaram isso possível, mantendo o controle dos grandes e complexos experimentos que foram realizados ao longo da investigação.

Resultados surpreendentes

A principal conclusão ao analisar essas imagens: em vez de a memória fazer com que a ‘força’ ou ‘intensidade’ 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, o conhecimento comum era que você aprende alterando a força das sinapses. Mas não foi isso que encontramos neste caso”, disse o Dr. Kesselman.

“Este foi o melhor resultado possível que poderíamos ter tido porque vimos essa mudança dramática no número de sinapses – algumas desaparecendo, outras se formando, e a vimos em uma parte muito distinta do cérebro. O dogma era que as sinapses mudam sua força. Mas fiquei surpreso ao ver um fenômeno ‘push-pull’ e não vimos uma mudança nos pontos das sinapses”, disse o Dr. Don Arnold.

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, 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 do cérebro, a amígdala, versus o hipocampo para a maioria das outras memórias. Isso pode um dia ter relevância para o TEPT, que se acredita ser mediado pela formação de memórias associativas”, disse o Dr. Arnold.

Um aspecto incomum do artigo e do estudo associado foi seu foco em como tornar os resultados da pesquisa o mais transparentes e reprodutíveis possível, tornando todos os dados associados ao artigo pesquisáveis ​​e disponíveis para qualquer cientista em um site disponível publicamente: Mapeando o Sinaptoma Dinâmico. 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 disponibilizado. Por exemplo, estudos recentes mostraram que apenas 20% das pesquisas sobre o câncer são reproduzíveis porque os dados não estão disponíveis.

Acesse a notícia completa na página da Universidade do Sul da Califórnia (em inglês).

Fonte: Magali Gruet, Universidade do Sul da Califórnia. Imagem: Sinapses do cérebro de um peixe-zebra destacadas pelo microscópio. Fonte: Divulgação, Universidade do Sul da Califórnia.

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