As sinapses do córtex cerebral transmitem sinais de maneira mais confiável do que aqueles nas regiões do cérebro traseiro

Pesquisadores do Instituto Carl Ludwig da Universidade de Leipzig descobriram que, no córtex cerebral, a transmissão de sinal sináptico entre as células cerebrais funciona de maneira muito confiável, mesmo em baixas concentrações de íons de cálcio – entre a região traseira do cérebro.

Os resultados contribuem para a nossa compreensão do cérebro saudável, mas também podem ser úteis para a indústria de computadores, por exemplo, no desenvolvimento de redes neurais. Os resultados foram publicados em Ciência.

Pensando, aprendendo, sentimento – todas as percepções sensoriais são processadas no cérebro. Aproximadamente 100 bilhões de células nervosas estão interconectadas no cérebro humano.

A comunicação rápida entre essas células cerebrais, conhecida como neurônios, ocorre principalmente através da transmissão de sinal em seus pontos de contato, as sinapses. Isso envolve uma interação complexa de processos eletroquímicos que preenchem as pequenas lacunas entre uma célula de envio e uma célula recebida.

O mecanismo subjacente é bem conhecido: Simplificando, a transmissão sináptica do sinal é desencadeada quando os íons cálcio no neurônio do remetente se ligam a proteínas sensoras específicas, que causam mensageiros – conhecidos como neurotransmissores – para serem liberados da célula. A célula receptora responde com um sinal elétrico mensurável.

Diferenças na transmissão de sinal

No entanto, existem diferenças significativas entre as regiões do cérebro que podem afetar a transmissão do sinal, como o tamanho das células nervosas, o número de sinapses e as propriedades das proteínas do sensor de ligação ao cálcio dentro das células.

“Sabemos há algum tempo que a transmissão no córtex cerebral é muito mais confiável do que em outras regiões do cérebro”, diz o professor Hartmut Schmidt, do Instituto Carl Ludwig (CLI) na Faculdade de Medicina, que liderou o estudo.

O córtex também é conhecido como a substância cinzenta do cérebro, que contém centros de processamento para várias funções, como o córtex somatossensorial. Esta é a área em que as impressões sensoriais do corpo são pré-processadas antes de serem passadas para outras partes do córtex.

A proteína do sensor desempenha um papel fundamental

“Em nosso presente estudo, descobrimos que a proteína do sensor lá – conhecida como sinaptotagmin 1 – responde a concentrações muito mais baixas de cálcio na sinapse e desencadeia a transmissão do sinal. Isso contrasta com a proteína do sensor sinaptagmina 2, por exemplo, que é encontrada nas células na parte traseira do cérebro e foi estudada por 25 anos”.

“As propriedades da sinaptotagmin 1 parecem contribuir para o fato de que as sinapses corticais que examinamos não são apenas mais confiáveis, mas também mais plásticas – um pré -requisito fundamental para a capacidade do cérebro de se adaptar às novas demandas ao longo da vida”.

O conhecimento detalhado desses fatores no cérebro saudável fornece uma base para a identificação de processos interrompidos nos distúrbios cerebrais e para o desenvolvimento de terapias em potencial.

“Mas essas descobertas também podem ser relevantes para o desenvolvimento adicional de redes neurais na indústria de computadores”, diz Schmidt.

Os pesquisadores estudaram células no córtex somatossensorial primário usando tecido cerebral de camundongos. Eles combinaram vários métodos em suas séries experimentais: usando a técnica de patch-clamp, mediram os sinais elétricos de pares conectados de células nervosas. Ao mesmo tempo, eles monitoraram e mediram a concentração de cálcio nas sinapses usando um laser UV e um microscópio a laser de dois fótons.

Eles também desenvolveram seu próprio método, que chamam de “Axon Walking”. Isso torna possível localizar as quatro a cinco sinapses atualmente ativas ao longo das extensões de células nervosas, conhecidas como axônios. Essas sinapses têm apenas cerca de um milímetro de tamanho.

Com base nos dados, os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático detalhado para a proteína do sensor sob investigação. O modelo também pode ser usado por outros grupos de pesquisa. Os projetos de acompanhamento atuais estão examinando se a transmissão sináptica pode ser diferenciada ainda mais em diferentes regiões do córtex cerebral.