Mapa cerebral esclarece a conectividade neuronal por trás da função motora

Os sinais retransmitidos do cérebro para os neurônios motores permitem o movimento muscular, mas esses sinais normalmente passam pelos interneurônios espinhais antes de chegarem ao seu destino. Como o cérebro e esse grupo altamente diversificado de células de “operadoras de mesa telefônica” estão conectados é pouco compreendido.

Para resolver isso, os cientistas do St. Jude Children’s Research Hospital criaram um atlas de todo o cérebro visualizando regiões do cérebro que enviam informações diretas aos interneurônios V1, um grupo de células necessárias para o movimento. O atlas resultante e o site interativo tridimensional que o acompanha fornecem uma estrutura para compreender melhor a paisagem anatômica do sistema nervoso e como o cérebro se comunica com a medula espinhal. As descobertas são publicadas em Neurônio.

“Sabemos há décadas que o sistema motor é uma rede distribuída, mas o resultado final é através da medula espinhal”, disse o autor correspondente Jay Bikoff, Ph.D., Departamento de Neurobiologia do Desenvolvimento de St. Jude. “Lá, você tem neurônios motores que causam contração muscular, mas os neurônios motores não agem isoladamente. Sua atividade é esculpida por redes de interneurônios molecular e funcionalmente diversos.”

Desembaraçando a rede que conecta o cérebro à produção motora

Embora tenham sido feitos grandes avanços na compreensão de como diferentes regiões do cérebro se relacionam com diferentes facetas do controle motor, precisamente como essas regiões se conectam a neurônios específicos na medula espinhal tem sido um ponto cego neste campo. Os interneurônios são difíceis de estudar, principalmente porque existem centenas de variedades diferentes e misturadas.

“É semelhante a desembaraçar uma bola de luzes de Natal, só que é mais desafiante, dado que o que estamos a tentar desvendar é o resultado de mais de 3 mil milhões de anos de evolução”, disse o co-autor Anand Kulkarni, Ph.D.

Avanços recentes demonstraram a existência de subclasses de interneurônios distintas em termos moleculares e de desenvolvimento, mas ainda se sabe muito sobre seu lugar na comunicação neural.

“Definir os alvos celulares dos sistemas motores descendentes é fundamental para a compreensão do controle neural do movimento e do comportamento”, disse Bikoff. “Precisamos saber como o cérebro está comunicando esses sinais”.

Para dissecar os circuitos que ligam o cérebro à medula espinal, os investigadores utilizaram uma versão geneticamente modificada do vírus da raiva que carece de uma proteína chave, a glicoproteína, na sua superfície. Isso inibiu a capacidade do vírus de se espalhar entre os neurônios.

Isso essencialmente prendeu o vírus em sua origem. Ao reintroduzir esta glicoproteína numa população específica de interneurónios, o vírus poderia fazer um único salto através das sinapses antes de ficar preso novamente. Os pesquisadores usaram uma etiqueta fluorescente para rastrear o vírus. Ao rastrear onde o vírus vai parar, os pesquisadores puderam identificar quais regiões do cérebro estavam conectadas a esses interneurônios.

Mapa 3D permite que pesquisadores visualizem conexões

Os pesquisadores aplicaram essa abordagem a uma classe de interneurônios chamados interneurônios V1, que anteriormente demonstraram desempenhar um papel vital na formação da produção motora. O trabalho permitiu rastrear com precisão as origens de múltiplos sinais recebidos por esses interneurônios de volta ao cérebro.

“Estamos visando apenas os interneurônios V1, mas estes são, na verdade, um grupo altamente heterogêneo de neurônios, então pensamos: ‘Vamos atingir o maior número possível de V1s e ver o que está sendo projetado para eles”, disse Bikoff.

Os pesquisadores recorreram à tomografia serial de dois fótons para visualizar esses neurônios e gerar um atlas de referência tridimensional. Esta técnica reproduz o cérebro enquanto ele faz centenas de seções de mícrons de espessura para revelar neurônios marcados com fluorescência. O atlas permitiu aos pesquisadores fazer previsões precisas sobre a rede que conecta diferentes estruturas cerebrais à medula espinhal e aos interneurônios com os quais elas interagem.

Identificar como essas estruturas se ligam à medula espinhal permite aos pesquisadores investigar mais detalhadamente os circuitos neurais que controlam o movimento, e o atlas da web que o acompanha garantirá que os dados sejam livremente acessíveis a todos.

“Entendemos o que algumas das regiões cerebrais identificadas fazem de uma perspectiva comportamental”, explicou Bikoff, “mas agora podemos fazer hipóteses sobre como esses efeitos são mediados e qual pode ser o papel dos interneurônios V1. Será muito útil para o campo como um motor gerador de hipóteses.”