Hiperatividade neuronal e sintonia mais ampla ligada ao processamento sonoro alterado em ratos modelo de autismo

Pessoas com transtornos do espectro do autismo geralmente têm dificuldade em processar informações sensoriais, o que pode tornar ambientes movimentados, claros ou barulhentos – como escolas, aeroportos e restaurantes – estressantes ou até mesmo dolorosos. As causas neurológicas para o processamento sonoro alterado são complexas e os pesquisadores estão interessados ​​em compreendê-las melhor para melhorar a vida das pessoas com autismo.

Num estudo que combina testes comportamentais, modelos de computador e registos electrofisiológicos da actividade neuronal, os investigadores descobriram que a hiperactividade dos neurónios no córtex auditivo e a reacção destes neurónios a uma gama invulgarmente ampla de frequências contribuem para este processamento sonoro alterado em modelos de ratos. A pesquisa está publicada na revista Biologia PLOS.

“Uma das coisas que pensávamos que não estava a ser suficientemente analisada era esta ideia de discriminação sensorial: ser capaz de distinguir entre diferentes características do nosso ambiente”, disse Benjamin Auerbach, professor de fisiologia molecular e integrativa na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

“Isso é muito importante, especialmente em condições do mundo real, onde você recebe muitas informações concorrentes ao mesmo tempo e precisa ser capaz de analisar essas informações e entendê-las. Se você tiver discriminação de recursos degradada, isso pode tornar ambientes sensoriais complexos ou desordenados realmente opressores.”

A síndrome do X frágil é a principal causa hereditária de autismo em humanos, na qual um gene chamado FMR1 está desativado. Portanto, para representar o autismo em laboratório, os pesquisadores usaram ratos com deficiência do gene FMR1, chamados de ratos knockout.

Auerbach e Walker Gauthier, estudante de pós-graduação em neurociência e principal autor deste estudo, escolheram especificamente observar a discriminação de frequência: como o cérebro pode diferenciar os tons de diferentes sons.

Os ratos knockout para FMR1 participaram de uma série de testes comportamentais para determinar quão bem eles poderiam diferenciar entre duas frequências em comparação com ratos que ainda tinham seu gene FMR1 ativado (chamados ratos do tipo selvagem). Uma série de frequências foi tocada para os ratos, mas os ratos foram treinados para reagir apenas a uma frequência alvo específica, enquanto inibiam sua resposta a outros tons de frequência.

Quando o tom tocado estava muito longe da frequência alvo, todos os ratos tiveram um desempenho semelhante: nenhum dos grupos reagiu ao som. Da mesma forma, quando o tom tocado estava muito próximo da frequência alvo, os ratos de ambos os grupos identificaram falsamente o tom como correto. Somente na faixa média – quando o tom tocado estava de um terço a dois terços de oitava da frequência alvo – o comportamento dos dois grupos divergiu. Os ratos knockout para FMR1 tiveram muito mais dificuldade em identificar que o tom tocado não era realmente o tom alvo.

Para explorar melhor por que isso estava acontecendo, os pesquisadores registraram a atividade de dois centros cerebrais essenciais para o processamento da informação auditiva: o córtex auditivo e o colículo inferior. Embora o colículo inferior tenha se comportado de forma semelhante para ambos os grupos de ratos, a atividade do córtex auditivo diferiu.

“Os ratos knockout exibem maior atividade espontânea: o quanto os neurônios disparam quando nenhum som está sendo reproduzido”, disse Gauthier. “E quando toquei um som, houve uma resposta maior a esse som também nos ratos nocauteados, mas apenas no córtex.”

A diferenciação de frequência é uma parte essencial do sistema auditivo, e diferentes neurônios auditivos estão sintonizados em diferentes frequências. Embora normalmente um determinado neurônio só responda quando exposto a uma faixa estreita de frequências, os pesquisadores descobriram que os neurônios corticais auditivos nos ratos knockout para FMR1 responderam a uma faixa inesperadamente ampla. Isso explica por que eles tiveram mais dificuldade em distinguir as frequências.

“Se tivermos uma sintonia mais ampla no córtex, isso significa que mais neurônios respondem a mais sons”, disse Gauthier. “Faz sentido que, com dois sons próximos, uma pessoa possa não ser capaz de perceber a diferença entre os dois porque seus neurônios estão respondendo a mais sons em geral”.

Para testar se esta hiperatividade cortical era responsável pela dificuldade dos ratos FMR1 em distinguir os sons, Auerbach e Gauthier usaram as suas medições da atividade dos neurônios corticais para criar um modelo computacional da atividade cerebral. Então, eles usaram esse modelo para replicar o experimento de identificação de frequência que conduziram com ratos. Se o modelo cerebral fosse ajustado de modo que os neurônios corticais reagissem à ampla faixa de frequências que os neurônios dos ratos knockout para FMR1 reagiam, o computador se comportaria como os ratos knockout para FMR1 se comportaram no experimento?

Quando testado, o modelo realmente se comportou como os ratos no experimento comportamental, apoiando que o processamento sonoro alterado observado está ligado à ampla sintonia dos neurônios.

Geralmente, este estudo sugere que o cérebro precisa equilibrar a sensibilidade aos sons com a capacidade de distinguir entre sons. Com FXS, a sensibilidade é altamente ponderada, sacrificando a discriminação sonora.

Isso também explica os resultados de um estudo anterior, que levou ao desenvolvimento deste, no qual os tons foram tocados em ratos do tipo selvagem e knockout para FMR1, treinados para reagir ao som. Os ratos knockout para FMR1 reagiram mais rapidamente do que os seus homólogos do tipo selvagem: um resultado que sugeriu que eles estavam mais confiantes de que ouviam os tons, potencialmente porque os percebiam como mais altos do que os ratos do tipo selvagem. Isto era especialmente verdadeiro com som de largura de banda ampla: quando múltiplas frequências sonoras eram reproduzidas simultaneamente.

“Nossos resultados de nosso estudo recente podem realmente explicar esse resultado, porque se seus neurônios forem sintonizados de forma mais ampla, à medida que você aumenta a largura de banda do som, você recrutará mais neurônios no cérebro dos animais knockout para FMR1 em comparação com os animais do tipo selvagem”, disse Auerbach. “Isso pode fazer com que esses sons sejam percebidos como mais altos porque há uma população maior de células sendo ativadas”.

No futuro, os investigadores planeiam realizar estudos para determinar se estes resultados também se aplicam a outros factores genéticos correlacionados com ASD. Eles também querem olhar mais de perto o córtex, para explorar mais profundamente o que está causando a mudança no sentido do aumento da sensibilidade sonora no nível neural.