Como surgem as oscilações cerebrais?

Ondas de atividade neuronal sincronizada e coordenada têm sido observadas e estudadas no cérebro há mais de um século. Mas, pela primeira vez, os investigadores de Yale identificaram onde surge um determinado tipo – conhecido como atividade gama – e associaram-no ao comportamento.

Ao desenvolver uma abordagem nova e muito mais precisa para medir esta actividade, os investigadores superaram os principais desafios que limitaram a compreensão dos cientistas sobre o papel que estas ondas desempenham no processamento de informação e no início do comportamento. As descobertas são publicadas em Natureza.

Mas Jessica Cardin, Ph.D., Professora Gordon M. Shepherd de Neurociência na Escola de Medicina de Yale e autora sênior do estudo, não tinha intenção de estudar esse tipo de atividade cerebral. Ela trabalhou com ondas gama como pós-doutoranda e, por meio desse trabalho, mostrou pela primeira vez que é possível iniciar artificialmente essas ondas no cérebro. Mas o problema é que aquilo a que ela se refere como “a experiência perfeita” não é realmente possível com estes ritmos de atividade.

A maneira de determinar o que algo como ondas gama ou, digamos, um gene ou uma proteína específica está fazendo no cérebro é quebrá-lo e ver o que acontece. Você silencia esse gene e vê como isso afeta o comportamento, por exemplo.

“O problema é, e sempre foi, que para algo como uma oscilação ou um padrão de atividade, não é possível desligá-lo sem afetar tudo no circuito cerebral circundante”, diz Cardin, que também é membro do Instituto Wu Tsai de Yale. “Então, quando comecei meu próprio laboratório, pensei que nunca trabalharíamos nessa área.”

Mas então um dos seus pós-doutorandos – Quentin Perrenoud, Ph.D., primeiro autor do estudo – mostrou-lhe alguns dados intrigantes que tinha recolhido enquanto tentava monitorizar o fluxo de informação através do cérebro enquanto uma tarefa era realizada. Parecia que as ondas gama poderiam prever o comportamento. Então, eles seguiram a ciência e as suas descobertas revolucionaram a forma como os cientistas pensavam sobre como estas ondas surgem no cérebro.

“Não é uma experiência perfeita, mas está muito mais próxima de uma experiência perfeita do que alguma vez conseguimos”, diz Cardin.

A atividade gama emerge das interações entre o tálamo e o córtex

Para o estudo, os pesquisadores desenvolveram uma nova abordagem para medir ondas gama. Embora se pensasse que estas oscilações eram contínuas, parecendo-se muito com uma onda sonora com um padrão ininterrupto de altos e baixos, pesquisas mais recentes encontraram evidências de que a oscilação não é totalmente contínua, mas pode ocorrer em pequenas rajadas.

Seguindo esta ideia, os investigadores registaram a atividade cerebral em 16 locais diferentes no córtex visual – a parte do cérebro que processa a visão – para obter uma visão muito mais detalhada dos aspetos espaciais e temporais da atividade gama. Em seguida, eles dividiram esses dados em eventos individuais, como um ciclo de pico-ponto-pico de uma onda.

Se a atividade gama fosse realmente uma oscilação, então juntar cada um destes eventos individuais deveria parecer uma onda contínua que rola através de cada um dos pontos onde os investigadores registaram.

“Mas descobriu-se que estes eventos podem acontecer juntos, ou em pequenas explosões, ou sozinhos”, diz Cardin. “Eles não estão acontecendo em uma longa sequência.”

Esta abordagem, que os pesquisadores chamaram de CBASS (Clustering Band-limited Activity by State and Spectrotemporal feature), oferece um nível de sensibilidade muito maior do que outras técnicas para estudar a atividade gama.

“Isso nos permite obter um timing muito preciso e identificar claramente esses eventos curtos, o que significa que podemos mapeá-los com grande precisão durante momentos interessantes, como quando um animal está tomando uma decisão”, diz Cardin. “Isso significa que podemos mapear os eventos no cérebro do comportamento do animal com mais precisão do que nunca.”

Quando se trata de onde surge a atividade gama, existem duas escolas de pensamento. Muitas das evidências disponíveis apoiam a ideia de que a atividade gama é gerada no córtex.

Mas algumas pesquisas sugerem que o córtex herda a atividade de outras partes do cérebro – por exemplo, do tálamo, que envia muitas informações sensoriais e motoras ao córtex.

“Com este novo método, os nossos dados sugerem que ambos estão errados e que esta atividade surge devido a uma interação ‘entre’ o tálamo e o córtex. A gama surge dinamicamente à medida que o tálamo envia informações para o córtex, onde é então amplificado”, diz Cardin.

A interrupção dos sinais do tálamo afeta o comportamento

A precisão do CBASS também dá aos pesquisadores a tão procurada capacidade de quebrar o sistema, de perturbar esses padrões de atividade de uma forma que não afete todo o cérebro.

Para fazer isso, os pesquisadores primeiro treinaram ratos em uma tarefa visual em que os ratos recebiam uma recompensa se lambessem uma tromba d’água apenas quando um determinado estímulo visual fosse mostrado. Então, os pesquisadores interromperam os sinais que o tálamo enviava ao córtex, o que, por sua vez, interrompeu a atividade gama no córtex.

Essa interrupção gama fez com que os ratos tivessem um desempenho muito pior na tarefa visual. Então os pesquisadores adotaram a abordagem oposta e iniciaram artificialmente a atividade gama.

“Registramos a atividade gama de ratos que estavam detectando o estímulo visual e depois o reproduzimos no cérebro de outros ratos. E quando fizemos isso, enganamos os ratos fazendo-os pensar que haviam detectado um estímulo”, diz Cardin.

Juntas, as descobertas indicam que a atividade gama no córtex apoia a integração da informação visual e está envolvida nas respostas comportamentais que emergem dessa integração. E esta é uma informação importante, pois estudos mostram que esse tipo de atividade está alterado em pessoas com distúrbios do neurodesenvolvimento, esquizofrenia e transtorno bipolar, além de doenças neurodegenerativas.

O laboratório de Cardin está agora a investigar se a atividade gama no córtex poderia ser usada como um biomarcador precoce para doenças como a doença de Alzheimer.

A acetilcolina e a noradrenalina, principais moléculas sinalizadoras no tálamo e no córtex, estão intimamente ligadas à cognição e são perdidas em doenças neurodegenerativas. Sabe-se que esses sinais neuromoduladores regulam o padrão de atividade cerebral.

“Estamos começando a observar como os sinais neuromoduladores estão associados a esses eventos gama e aplicaremos nossas ferramentas para entender melhor a sequência de coisas que dão errado na neurodegeneração”, diz Cardin.

“Isso poderia levar a um biomarcador precoce interpretável para a doença de Alzheimer que seja facilmente acessível em humanos”.