Publicado na EurekAlert!
Um novo estudo da UCLA pode mudar a compreensão dos cientistas sobre como o cérebro funciona – e poderia levar a novas abordagens para o tratamento de desordens neurológicas e ao desenvolvimento de computadores que “pensam” mais como os humanos.
A pesquisa se focou Na estrutura e função dos dendritos, eu são componentes dos neurônios, as células nervosas do cérebro. Neurônios são estruturas largas, semelhantes à árvores, compostos de um corpo, o soma, com numerosos “galhos” chamados dendritos que se estendem para fora da célula. O soma gera curtos impulsos elétricos chamados “spikes” para se comunicarem entre si. Os cientistas acreditavam que spikes somáticos ativavam os dendritos, que passivamente conduziam essa corrente ao soma de outros neurônios, mas isso nunca havia sido diretamente testado antes. Esse processo é a base para a formação e armazenamento das memórias
Mas a equipe da UCLA descobriu que os dendritos não são apenas condutores passivos. A sua pesquisa mostrou que dendritos são eletricamente ativos em animais e se movem livremente, gerando quase 10 vezes mais spikes que os somas. O achado desafia a crença que spikes do soma são a maneira primária pela qual a percepção, o aprendizado e a formação da memória ocorrem.
“Dendritos fazem mais de 90% do tecido neural”, disse o neurofísico da UCLA Mayank Mehta, autor sênior do estudo. “Saber que eles são muito mais ativos que o soma muda fundamentalmente a natureza da nossa compreensão de como o cérebro computa a informação. Pode pavimentar o caminho para a compreensão e tratamento de desordens neurológicas, e para o desenvolvimento de computadores similares ao cérebro”.
A pesquisa foi publicada em 9 de Março no periódico Science.
Os pesquisadores também descobriram que dendritos geram grandes flutuações na voltagem além dos spikes; spikes são eventos binários, tudo-ou-nada. Os somas geravam apenas spikes tudo-ou-nada, de forma similar à computadores digitais. Em adição à produzir spikes similares, os dendritos também geram voltagens com grande e lenta variação que são ainda maiores que os spikes, o que sugere que os dendritos realizam computação analógica.
“Nós descobrimos que os dendritos são híbridos que realizam tanto computações digitais e analógicas, que são fundamentalmente diferentes de números puramente digitais, mas similares à computadores quânticos, que são análogos”, disse Mehta, um professor de física, astronomia, neurologia e neurobiologia na UCLA. “Uma crença fundamental na neurociência é que os neurônios são aparelhos digitais. Eles ou geravam um spike ou não geravam. Esses resultados mostram que dendritos não se comportam como aparelhos puramente digitais. Eles também produzem sinais digitais, tudo-ou-nada, mas também demonstram flutuações analógicas que não são tudo-ou-nada. Essa é uma grande ruptura com o que os neurocientistas tem acreditado nos últimos 60 anos”.
Como os dendritos são 100 vezes mais abundantes que os centros neuronais, Mehta disse, o alto número de spikes dendríticos ocorrendo poderia indicar que o cérebro possui cem vezes mais poder computacional do que se esperava.
Estudos recentes em fatias cerebrais mostrou que dendritos podem gerar spikes. Mas não estava claro se isso ocorria como comportamento natural, nem com que frequência. Medir a atividade elétrica dos dendritos durante o comportamento natural sempre foi um desafio porque eles são muito delicados: em estudos com ratos de laboratório, cientistas descobriram que colocar eletrodos nos dendritos enquanto o animal se movia matava os dendritos. Mas a equipe da UCLA desenvolveu uma nova técnica que consiste em posicionar os dendritos perto dos dendritos e não neles próprios.
Utilizando esta abordagem, os cientistas mediram a atividade dos dendritos por quatro dias em ratos que podiam se mover livremente ao longo de um grande labirinto. Tomando medidas do córtex parietal posterior, a parte do cérebro que possui um papel essencial no planejamento do movimento, os pesquisadores acharam mais atividade nos dendritos que no soma – aproximadamente cinco vezes mais spikes enquanto os ratos dormiam, e 10 vezes mais quando estavam explorando.
“Muitos modelos prévios assumiam que o aprendizado ocorria quando os corpos celulares de dois neurônios ficavam ativos ao mesmo tempo”, disse Jason Moore, um pós-doutor da UCLA e primeiro autor do estudo. “Nossos achados indicam que o aprendizado pode ocorrer quando o neurônio de entrada (do sinal) está ativo ao mesmo tempo que um dendrito – e pode ser que diferentes partes do dendrito estejam ativas em momentos diferentes, o que poderia sugerir muito mais flexibilidade em como o aprendizado pode ocorrer em um único neurônio”.
Olhar para o soma para entender como o cérebro funciona forneceu a base para numerosas questões médicas e científicas – do diagnóstico e tratamento até a construção de computadores. Mas, Mehta diz, isso foi embasado na compreensão que o corpo celular toma as decisões, e que o processo é digital.
“O que nós descobrimos indica que tais decisões são feitas nos dendritos muito mais frequentemente do que no corpo celular, e que essas computações não são apenas digitais, mas analógicas”, disse Mehta. “Devido à dificuldades tecnológicas, a pesquisa da função cerebral focou-se no corpo celular. Mas nós descobrimos as vidas secretas dos neurônios, especialmente na extensiva ramificação neuronal. Nossos resultados mudam substancialmente nossa compreensão de como os neurônios computam”.
