Cientistas surpresos ao descobrir que neurônios de primatas têm menos sinapses do que ratos no córtex visual

Um estudo que analisou sinapses individuais em macacos e ratos mostra que os neurônios dos primatas têm duas a cinco vezes menos sinapses do que os ratos no córtex visual.

Um estudo do Laboratório Nacional UChicago e Argonne analisando mais de 15,000 sinapses individuais em macacos e ratos descobriram que os neurônios dos primatas têm duas a cinco vezes menos sinapses no córtex visual em comparação com os ratos – e a diferença pode ser devida ao custo metabólico de manutenção das sinapses.

Os primatas são geralmente considerados mais inteligentes que os ratos. Mas, numa descoberta surpreendente, os investigadores de neurociências do Universidade de Chicago e o Laboratório Nacional de Argonne descobriram que os ratos têm, na verdade, mais sinapses conectando os neurônios em seus cérebros.

Num estudo comparando os cérebros de macacos e ratos ao nível sináptico, os investigadores descobriram que os primatas tinham muito menos sinapses por neurónio em comparação com os roedores, tanto em neurónios excitatórios como inibitórios em camadas. 2/3 do córtex visual primário. Usando modelagem de redes neurais recorrentes artificiais, a equipe foi ainda capaz de determinar que o custo metabólico de construção e manutenção de sinapses provavelmente faz com que redes neurais maiores sejam mais esparsas, como visto em primatas versus neurônios de camundongos. Os resultados foram publicados em setembro 14, 2021, em Relatórios de células.

A equipe de pesquisa, formada por cientistas dos laboratórios de David Freedman, Ph.D., da UChicago e Narayanan ​“Bobby” Kasthuri, MD, da Argonne, aproveitou avanços recentes em microscopia eletrônica, bem como conjuntos de dados existentes disponíveis publicamente, para comparar a conectividade em ambos espécies. Eles optaram por examinar as sinapses excitatórias e inibitórias, já que a maioria das pesquisas anteriores se concentrava apenas nas sinapses excitatórias. Focando na camada 2/3 Os neurônios no córtex visual primário adulto tornaram mais fácil a comparação entre espécies, pois esses neurônios têm morfologias distintas que são semelhantes em primatas e camundongos.

Depois de reconstruir as imagens de microscopia e medir as formas dos 107 neurônios de macaco e 81 neurônios de camundongos, os pesquisadores identificaram quase 6,000 sinapses nas amostras de macacos e mais 9,700 sinapses nas amostras de ratos. Ao comparar os conjuntos de dados, eles descobriram que os neurônios de primatas recebem duas a cinco vezes menos conexões sinápticas excitatórias e inibitórias do que neurônios de camundongos semelhantes.

“A razão pela qual isso é surpreendente é que existe esse tipo de suposição silenciosa entre os neurocientistas e, creio, entre as pessoas em geral, de que ter mais conexões neuronais significa que você é mais inteligente”, disse Gregg Wildenberg, Ph.D., cientista da equipe. no Laboratório Kasthuri.​“Este trabalho mostra claramente que, embora existam mais conexões totais no cérebro dos primatas em geral, porque há mais neurônios, se olharmos por neurônio, os primatas, na verdade, têm menos sinapses. Mas sabemos que os neurônios dos primatas podem realizar cálculos que os neurônios dos ratos não conseguem. Isto levanta questões interessantes, como quais são as ramificações da construção de uma rede neuronal maior, como as vistas em primatas?”

Depois de descobrir esta descoberta surpreendente, Wildenberg entrou em contato com Matt Rosen, um estudante de pós-graduação no Freedman Lab, esperando que Rosen pudesse trazer sua experiência computacional para compreender melhor a discrepância entre sinapse número e sua possível causa.

“Sempre tivemos essa expectativa de que a densidade de sinapses em primatas seria semelhante à observada em roedores, ou talvez até maior porque há mais espaço e mais neurônios no cérebro dos primatas”, disse Rosen.​“À luz da descoberta surpreendente de Gregg, pensamos sobre por que os neurônios dos primatas fariam menos conexões do que o esperado. E pensámos que talvez fosse impulsionado por forças evolutivas – que talvez os custos energéticos associados à manutenção de um cérebro pudessem estar a impulsionar esta diferença. Portanto, desenvolvemos modelos de redes neurais artificiais e os treinamos para realizar tarefas enquanto lhes atribuíamos restrições inspiradas nos custos metabólicos enfrentados pelos cérebros reais, para ver como isso afeta a conectividade que surge nas redes resultantes.”

A modelagem considerou dois custos metabólicos potenciais: o custo dos sinais elétricos individuais enviados pelos neurônios, chamados potenciais de ação, que são energeticamente muito caros, e o custo de construção e manutenção de sinapses entre diferentes células. O que descobriram foi que à medida que o número de neurónios aumentava na rede, as crescentes restrições metabólicas tornavam mais difícil criar e manter as ligações entre as células, levando a uma densidade reduzida de sinapses.

“O cérebro é apenas sobre 2.5% da nossa massa corporal total, mas requer cerca de 20% da energia total do corpo”, disse Wildenberg.​“É um órgão muito caro. Acredita-se que a maior parte dessa energia é gasta nas sinapses, tanto na energia para comunicar através das sinapses, mas também para construí-las e mantê-las. À medida que o cérebro fica maior, com mais neurônios, é provável que haja compensações, do ponto de vista metabólico.”

Os resultados, dizem os pesquisadores, ajudarão a informar pesquisas futuras tanto em primatas quanto em ratos, bem como comparações entre os dois.​“Fundamentalmente, penso que todos os neurocientistas querem compreender o que nos torna humanos – o que nos separa dos outros primatas e dos ratos”, disse Wildenberg.​“Estamos trabalhando na conectômica, que se concentra na compreensão da neuroanatomia no nível das conexões individuais. Antes disso, não tinha sido bem descrito se existiam diferenças ao nível das conexões que pudessem nos dar pistas sobre como a evolução constrói diferentes tipos de cérebros. Todo cérebro é formado por neurônios, e cada neurônio se conecta e se comunica com outros neurônios de uma forma estereotipada. Como a evolução funciona dentro dessas restrições para construir diferentes tipos de cérebros? Você tem que estudar ratos, primatas e um monte de outras espécies para realmente começar a entender o que está acontecendo aqui.”

Rosen também ressalta que compreender as diferenças entre as espécies pode ajudar a esclarecer princípios gerais do cérebro para compreender melhor o comportamento.​“A abordagem comparativa nos permite pensar cuidadosamente sobre a anatomia do cérebro no contexto dos comportamentos específicos de um organismo”, disse ele.​“Ninguém trata um rato e um primata da mesma maneira; eles se comportam de maneira diferente. Estas observações fundamentais das diferenças anatómicas entre os dois podem permitir-nos extrair princípios gerais que podem ser aplicados entre espécies, bem como o que é único para cada animal.”

Por exemplo, a compreensão da densidade sináptica – e em particular a proporção entre sinapses excitatórias e inibitórias – pode informar pesquisas sobre condições neurológicas como a doença de Parkinson e o autismo.​“Se medirmos apenas a relação excitatória/inibitória em camundongos e assumirmos que é a mesma em todas as espécies, como isso afetará nossa compreensão da doença?” disse Wildenberg.​“Encontramos diferenças na relação excitatória/inibitória em primatas versus camundongos; quais são as implicações sobre como traduzimos esses modelos para os humanos?”

Pesquisas futuras incluirão o exame de questões semelhantes durante o desenvolvimento do cérebro, trabalhando para entender como o número e a densidade das sinapses afetam a rede ao longo do tempo e como esse desenvolvimento difere entre ratos e primatas.

Referências: “As conexões neuronais dos primatas são esparsas no córtex em comparação com o camundongo” por Gregg A. Wildenberg, Matt R. Rosen, Jack Lundell, Dawn Paukner, David J. Freedman e Narayanan Kasthuri, 14 de setembro de 2021, Relatórios de células.
DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109709

O estudo foi apoiado pela Fundação McKnight, a Instituto Nacional de Saúde Iniciativa Cérebro (você01 MH109100) e uma bolsa NeuroNex da National Science Foundation. Autores adicionais incluem Jack Lundell, Dawn Paukner e David J. Freedman da UChicago e Narayanan“Bobby ”Kasthuri de UChicago e Argonne.