‘Neurônios zumbis’ esclarecem como o cérebro aprende

Situado na parte de trás da cabeça, o cerebelo é uma estrutura cerebral que desempenha um papel fundamental na forma como aprendemos, adaptando as nossas ações com base em experiências passadas. No entanto, as formas precisas pelas quais esta aprendizagem acontece ainda estão a ser definidas.

Um estudo liderado por uma equipa da Fundação Champalimaud traz uma nova clareza a este debate, com uma descoberta fortuita dos chamados “neurónios zombie”. Esses neurônios, vivos, mas funcionalmente alterados, ajudaram a avançar nossa compreensão dos sinais críticos de ensino do cerebelo.

A palavra “cerebelo” significa “pequeno cérebro”, apesar de conter mais da metade dos neurônios do cérebro. É essencial para a coordenação dos movimentos e o equilíbrio, ajudando você a realizar tarefas cotidianas com tranquilidade, como caminhar em uma rua movimentada ou praticar esportes. Também é crucial para o processo de aprendizagem que permite associar pistas sensoriais a ações específicas.

Cada vez que você pega um copo sem derramar seu conteúdo, ajustando sem esforço a quantidade de força aplicada com base no peso do recipiente e em quão cheio ele está, você está experimentando as consequências da capacidade do cerebelo de vincular sinais visuais ao movimento correspondente. respostas.

Os ‘sinais de ensino’ do cérebro

Para que a aprendizagem ocorra, o cerebelo monitora continuamente o mundo exterior e o resultado dos movimentos que fazemos dentro dele. Quando cometemos um erro, as informações sobre os nossos erros podem ser usadas para ajustar a força das conexões cerebrais, levando ao longo do tempo a mudanças nas nossas respostas comportamentais a sinais específicos. No entanto, não se sabe exatamente como tais “erros” ou “sinais de ensino” são representados no cérebro para impulsionar mudanças aprendidas no comportamento.

A mais recente investigação do Carey Lab da Fundação Champalimaud, publicada em Neurociência da Naturezafornece evidências convincentes de que a atividade em uma classe específica de entradas cerebelares, chamadas fibras trepadeiras, é absolutamente essencial para que ocorra a aprendizagem associativa.

Para examinar o papel das fibras de escalada e dos seus alvos, as células cerebelares de Purkinje, na aprendizagem, os investigadores conceberam uma experiência envolvendo ratos. Eles usaram uma tarefa de aprendizagem comum conhecida como condicionamento do piscar de olhos. Nesta tarefa, um rato aprende a piscar em resposta a um determinado sinal, como uma luz, que precede um evento, normalmente um suave sopro de ar direcionado ao seu olho. Os animais então exibem aprendizagem associativa, aprendendo a vincular um sinal sensorial a uma resposta de movimento adaptativa, neste caso, piscando.

“Em nosso experimento”, explica a Dra. Tatiana Silva, primeira autora do estudo, “usamos uma técnica chamada optogenética. Esse método funciona como um controle remoto altamente preciso para células cerebrais, usando a luz para ligar ou desligar certas células de interesse em um determinado momento. momentos extremamente específicos.”

Silva continua: “As fibras de escalada normalmente respondem a estímulos sensoriais como um sopro de ar no olho. Ao ativar precisamente essas fibras com optogenética, fomos capazes de fazer o rato pensar que havia recebido um sopro de ar, quando na verdade não tinha . Depois de estimularmos consistentemente as fibras de escalada durante a apresentação de uma dica visual, os ratos aprenderam a piscar em resposta a essa dica – mesmo na ausência de estimulação. Isso provou que essas fibras são suficientes para impulsionar esse tipo de aprendizagem associativa.

Os autores conseguiram ainda mostrar que as fibras de escalada também são necessárias para a aprendizagem associativa. “Quando usamos a optogenética para silenciar seletivamente as fibras de escalada durante a apresentação de um sopro de ar real”, revela Silva, “os ratos falharam completamente em aprender a piscar em resposta ao sinal visual”.

A equipe de Carey manipulou de forma semelhante vários outros tipos de células cerebrais dentro do cerebelo, mas descobriu que nenhuma delas era capaz de fornecer sinais de ensino tão confiáveis ​​para a aprendizagem.

O surgimento de ‘neurônios zumbis’

Olhando mais de perto alguns dos seus dados, os investigadores descobriram uma reviravolta inesperada. Para manipular a atividade das fibras trepadeiras usando optogenética, eles usaram ferramentas genéticas para expressar uma proteína sensível à luz chamada Canalrodopsina-2 (ChR2) nesses neurônios.

Surpreendentemente, eles descobriram que quando tentaram ensinar os ratos que expressavam ChR2 usando o método tradicional de sopro de ar, os animais falharam completamente em aprender. Como explica Carey, após registros sistemáticos da atividade neural do cerebelo desses ratos, “descobriu-se que a introdução de ChR2 nas fibras de escalada alterou suas propriedades naturais, impedindo-as de responder adequadamente a estímulos sensoriais padrão, como baforadas de ar. , bloqueou completamente a capacidade de aprendizagem dos animais.”

“O que é notável”, diz Silva, “foi que esses mesmos ratos aprenderam perfeitamente quando combinamos a estimulação das fibras de escalada, em vez de um sopro de ar, com uma dica visual”.

Involuntariamente, a equipe alcançou um objetivo de longa data na neurociência: modular padrões específicos de atividade dentro de neurônios específicos sem interromper totalmente a sua comunicação, resultando em uma intervenção mais natural para elucidar o seu papel causal.

Por outras palavras, embora as fibras de escalada permanecessem espontaneamente activas e fossem claramente funcionais, a sua codificação alterada de estímulos sensoriais deixou os animais totalmente incapazes de aprender a tarefa. Isso levou Silva a apelidá-los de “neurônios zumbis”: funcionalmente vivos, mas não interagindo com o circuito cerebral como de costume.

Devido à sutileza dos efeitos inesperados da expressão de ChR2 nas fibras trepadeiras, a Dra. Megan Carey diz: “Esses resultados servem como a evidência mais convincente até o momento de que os sinais das fibras trepadeiras são essenciais para o aprendizado associativo cerebelar. Nossos próximos passos envolvem entender por que ChR2 expressão leva à ‘zombificação’ dos neurônios e determina se nossas descobertas se estendem a outras formas de aprendizagem cerebelar.”

Fornecido por Centro Champalimaud para o Desconhecido