Desvendando o mistério molecular da memória: como as células cerebrais estabilizam as informações ao longo do tempo

Neurocientistas demonstram como o cérebro melhora a sua capacidade de distinguir entre experiências semelhantes, descobertas que podem levar a tratamentos para Alzheimer doenças e outros distúrbios de memória.

Pense em uma ocasião em que você teve duas experiências diferentes, mas semelhantes, em um curto período. Talvez você tenha participado de duas festas de fim de ano na mesma semana ou feito duas apresentações no trabalho. Pouco depois, você poderá confundir os dois, mas com o passar do tempo essa confusão diminui e você será mais capaz de diferenciar essas diferentes experiências.

Nova pesquisa publicada hoje (19 de janeiro) em Neurociência da Natureza revela que esse processo ocorre em nível celular, descobertas críticas para a compreensão e tratamento de distúrbios de memória, como a doença de Alzheimer.

Memórias de armazenamento de engramas dinâmicos

A pesquisa se concentra em engramas, células neuronais do cérebro que armazenam informações da memória. “Engramas são os neurônios que são reativados para apoiar a recuperação da memória”, diz Dheeraj S. Roy, PhD, um dos autores seniores do artigo e professor assistente do Departamento de Fisiologia e Biofísica da Escola de Medicina e Ciências Biomédicas Jacobs do Universidade de Búfalo. “Quando os engramas são interrompidos, você fica com amnésia.”

Nos minutos e horas que se seguem imediatamente a uma experiência, explica ele, o cérebro precisa consolidar o engrama para armazená-lo. “Queríamos saber: o que está acontecendo nesse processo de consolidação? O que acontece entre o momento em que um engrama é formado e quando você precisa relembrar essa memória mais tarde?”

Dheeraj Roy, PhD, professor assistente do Departamento de Fisiologia e Biofísica da Escola Jacobs de Medicina e Ciências Biomédicas da UB, é autor sênior de um novo artigo que explica aspectos de como a memória funciona no nível celular. Crédito: Sandra Kicman/Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences

Os pesquisadores desenvolveram um modelo computacional de aprendizagem e formação de memória que começa com a informação sensorial, que é o estímulo. Assim que essa informação chega ao hipocampo, a parte do cérebro onde se formam as memórias, diferentes neurônios são ativados, alguns dos quais são excitatórios e outros inibitórios.

Quando os neurônios são ativados no hipocampo, nem todos disparam ao mesmo tempo. À medida que as memórias se formam, neurônios que são ativados próximo ao tempo tornam-se parte do engrama e fortalecem sua conectividade para apoiar recordações futuras.

“A ativação de células do engrama durante a recuperação da memória não é um processo de tudo ou nada, mas normalmente precisa atingir um limite (ou seja, uma porcentagem do engrama original) para uma recuperação eficiente”, explica Roy. “Nosso modelo é o primeiro a demonstrar que a população do engrama não é estável: o número de células do engrama que são ativadas durante a recordação diminui com o tempo, o que significa que são de natureza dinâmica e, portanto, a próxima questão crítica era se isso tinha uma consequência comportamental. .”

Engramas dinâmicos são necessários para discriminação de memória

“Durante o período de consolidação após a aprendizagem, o cérebro trabalha ativamente para separar as duas experiências e essa é possivelmente uma das razões pelas quais o número de células do engrama ativadas diminui ao longo do tempo para uma única memória”, diz ele. “Se for verdade, isso explicaria por que a discriminação da memória melhora com o passar do tempo. É como se a sua memória da experiência fosse inicialmente uma grande estrada, mas com o tempo, ao longo do período de consolidação na ordem de minutos a horas, o seu cérebro as divide em duas pistas para que você possa discriminar entre as duas.”

Roy e os experimentalistas da equipe tinham agora uma hipótese testável, que realizaram usando um experimento comportamental bem estabelecido com ratos. Os ratos foram brevemente expostos a duas caixas diferentes que apresentavam odores e condições de iluminação únicos; um era um ambiente neutro, mas na segunda caixa eles receberam um leve choque nos pés.

Poucas horas depois dessa experiência, os ratos, que normalmente estão em constante movimento, exibiram lembranças de medo ao congelarem quando expostos a qualquer uma das caixas. “Isso demonstrou que eles não podiam discriminar entre os dois”, diz Roy. “Mas por volta da doze horas, de repente, eles demonstraram medo apenas quando foram expostos à caixa, onde se sentiram desconfortáveis ​​durante a primeira experiência. Eles foram capazes de discriminar entre os dois. O animal está nos dizendo que eles sabem que esta caixa é assustadora, mas cinco horas antes eles não conseguiram fazer isso.”

Usando uma técnica sensível à luz, a equipe conseguiu detectar neurônios ativos no hipocampo do rato enquanto o animal explorava as caixas. Os pesquisadores usaram essa técnica para marcar neurônios ativos e posteriormente medir quantos foram reativados pelo cérebro para recuperação. Eles também conduziram experimentos que permitiram que uma única célula do engrama fosse rastreada ao longo das experiências e do tempo. “Portanto, posso dizer literalmente como uma célula do engrama ou um subconjunto delas respondeu a cada ambiente ao longo do tempo e correlacionar isso à sua discriminação de memória”, explica Roy.”

Os estudos computacionais iniciais da equipe previram que o número de células engrama envolvidas em uma única memória diminuiria com o tempo, e os experimentos com animais confirmaram isso.

“Quando o cérebro aprende algo pela primeira vez, ele não sabe quantos neurônios são necessários e, assim, propositalmente, um subconjunto maior de neurônios é recrutado”, explica ele. “À medida que o cérebro estabiliza os neurónios, consolidando a memória, elimina os neurónios desnecessários, pelo que são necessários menos neurónios e, ao fazê-lo, ajuda a separar engramas para diferentes memórias.”

O que está acontecendo com os distúrbios de memória?

As descobertas têm relevância direta para a compreensão do que está errado nos distúrbios de memória, como a doença de Alzheimer. Roy explica que para desenvolver tratamentos para tais distúrbios, é fundamental saber o que está acontecendo durante a formação inicial da memória, consolidação e ativação de engramas para recordação.

“Esta pesquisa nos diz que um candidato muito provável para explicar por que ocorre a disfunção da memória é que há algo errado com a janela inicial após a formação da memória, onde os engramas devem estar mudando”, diz Roy.

Atualmente, ele está estudando modelos de camundongos com doença de Alzheimer precoce para descobrir se os engramas estão se formando, mas não estão sendo estabilizados corretamente. Agora que se sabe mais sobre como os engramas funcionam para formar e estabilizar memórias, os investigadores podem examinar quais os genes que estão a mudar no modelo animal quando a população de engramas diminui.

“Podemos olhar para modelos de ratos e perguntar: existem genes específicos que estão alterados? E se for assim, então finalmente temos algo para testar, podemos modular o gene para estes 'processos de refinamento' ou 'consolidação' de engramas para ver se isso tem um papel na melhoria do desempenho da memória”, diz ele.

Referência: “Engramas dinâmicos e seletivos emergem com a consolidação da memória” por Douglas Feitosa Tomé, Ying Zhang, Tomomi Aida, Olivia Mosto, Yifeng Lu, Mandy Chen, Sadra Sadeh, Dheeraj S. Roy e Claudia Clopath, 19 de janeiro de 2024, Neurociência da Natureza.
DOI: 10.1038/s41593-023-01551-w

Agora na Jacobs School, Roy conduziu a pesquisa enquanto era McGovern Fellow no Broad Institute of Massachusetts Institute of Technology (MIT) e Universidade de Harvard. Roy é um dos três neurocientistas recrutados para a Escola Jacobs este ano para lançar um novo foco em neurociência de sistemas no Departamento de Fisiologia e Biofísica da escola.

Os coautores do artigo são do Imperial College de Londres; o Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria; o Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT; e o Centro de Ciências da Vida e Instituto IDG/McGovern de Pesquisa do Cérebro da Universidade Tsinghua, na China.

O trabalho foi financiado pela Bolsa de Doutorado do Presidente da Colégio Imperial de Londres; Bem-vindo Confiança; o Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas; a Fundação Simons; o Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas; a Escola de Ciências da Vida e o Instituto IDG/McGovern de Pesquisa do Cérebro. Roy foi apoiado pelo Warren Alpert Distinguished Scholar Award e pelo Instituto Nacional de Saúde.