Nova teoria da formação de sinapses no cérebro
Reorganização no córtex visual: antes (esquerda) e logo após dano à retina (centro) e em fase posterior (direita). A maioria dos neurônios na zona onde as imagens são projetadas a partir da retina danificada podem alcançar sua…mais
O cérebro humano muda continuamente ao longo da vida de uma pessoa. Novas conexões são criadas continuamente enquanto as sinapses que não estão mais em uso degeneram. Até o momento, pouco se sabe sobre os mecanismos por trás desses processos. O neuroinformático de Jülich, Dr. Markus Butz, agora pode atribuir a formação de novas redes neurais no córtex visual a uma regra homeostática simples que também é a base de muitos outros processos de autorregulação na natureza. Com esta explicação, ele e seu colega Dr. Arjen van Ooyen de Amsterdã também fornecem uma nova teoria sobre a plasticidade do cérebro - e uma nova abordagem para compreender os processos de aprendizagem e tratar lesões e doenças cerebrais.
Os cérebros dos seres humanos adultos não são de forma alguma rígidos. Os cientistas estabeleceram repetidamente esse fato nos últimos anos usando diferentes técnicas de imagem. Essa assim chamada neuroplasticidade não apenas desempenha um papel fundamental nos processos de aprendizagem, mas também permite que o cérebro se recupere de lesões e compense a perda de funções. Pesquisadores só recentemente descobriram que, mesmo no cérebro adulto, as sinapses existentes não apenas se adaptam a novas circunstâncias, mas novas conexões são constantemente formadas e reorganizadas. No entanto, ainda não se sabia como esses processos naturais de rearranjo são controlados no cérebro. No diário de acesso aberto Biologia Computacional PLOSButz e van Ooyen agora apresentam uma regra simples que explica como essas novas redes de neurônios são formadas.
“É muito provável que a plasticidade estrutural do cérebro seja a base para a formação da memória de longo prazo”, diz Markus Butz, que tem trabalhado no recém-criado Laboratório de Neurociência de Simulação do Jülich Supercomputing Center nos últimos meses. “E não se trata apenas de aprender. Após a amputação de extremidades, lesão cerebral, o aparecimento de doenças neurodegenerativas e derrames, um grande número de novas sinapses são formadas a fim de adaptar o cérebro às mudanças duradouras nos padrões de estímulos recebidos. ”
Atividade regula a formação de sinapses
Esses resultados mostram que a formação de novas sinapses é impulsionada pela tendência dos neurônios em manter um nível de atividade elétrica "pré-estabelecido". Se a atividade elétrica média cai abaixo de um certo limiar, os neurônios começam a construir ativamente novos pontos de contato. Essas são a base para novas sinapses que fornecem dados adicionais - a taxa de disparo dos neurônios aumenta. Isso também funciona ao contrário: assim que o nível de atividade excede um limite superior, o número de conexões sinápticas é reduzido para evitar qualquer superexcitação - a taxa de disparo dos neurônios cai. Formas semelhantes de homeostase ocorrem freqüentemente na natureza, por exemplo, na regulação da temperatura corporal e dos níveis de açúcar no sangue.
No entanto, Markus Butz destaca que isso não funciona sem uma certa excitação mínima dos neurônios: “Um neurônio que não recebe mais nenhum estímulo perde ainda mais sinapses e morre com o tempo. Devemos levar essa restrição em consideração se quisermos que os resultados de nossas simulações concordem com as observações. ” Usando o córtex visual Como exemplo, os neurocientistas estudaram os princípios segundo os quais os neurônios formam novas conexões e abandonam as sinapses existentes. Nesta região do cérebro, cerca de 10% do sinapses são continuamente regenerados. Quando a retina é danificada, essa porcentagem aumenta ainda mais. Usando simulações de computador, os autores conseguiram reconstruir a reorganização dos neurônios de uma forma que se conforma a resultados experimentais do córtex visual de camundongos e macacos com retinas danificadas.
O córtex visual é particularmente adequado para demonstrar a nova regra de crescimento, porque tem uma propriedade conhecida como retinotopia: isso significa que os pontos projetados lado a lado na retina também estão dispostos lado a lado quando são projetados no córtex visual, apenas como em um mapa. Se áreas da retina são danificadas, as células nas quais as imagens associadas são projetadas recebem entradas diferentes. “Em nossas simulações, você pode ver que as áreas que não recebem mais qualquer entrada da retina começam a construir ligações cruzadas, o que lhes permite receber mais sinais de suas células vizinhas”, diz Markus Butz. Essas reticulações são formadas lentamente a partir da borda da área danificada em direção ao centro, em um processo que lembra a cicatrização de uma ferida, até que o nível de atividade original seja mais ou menos restaurado.
Plasticidade sináptica e estrutural
“A nova regra de crescimento fornece plasticidade estrutural com um princípio que é quase tão simples quanto o da plasticidade sináptica”, diz o co-autor Arjen van Ooyen, que há décadas trabalha em modelos para o desenvolvimento de redes neurais. Já em 1949, o professor de psicologia Donald Olding Hebb descobriu que as conexões entre neurônios que são ativados freqüentemente se tornarão mais fortes. Aqueles que trocam pouca informação se tornarão mais fracos. Hoje, muitos cientistas acreditam que este princípio de Hebbian desempenha um papel central nos processos de aprendizagem e memória. Enquanto Plasticidade sináptica Envolvida principalmente em processos de curto prazo que levam de alguns milissegundos a várias horas, a plasticidade estrutural se estende por escalas de tempo mais longas, de vários dias a meses.
A plasticidade estrutural, portanto, desempenha um papel particularmente importante durante a fase de reabilitação (precoce) de pacientes afetados por doenças neurológicas, que também dura semanas e meses. A visão que conduz o projeto é que ideias valiosas para o tratamento de pacientes com AVC podem resultar de previsões precisas da formação de sinapses. Se os médicos soubessem como a estrutura cerebral de um paciente mudaria e se reorganizaria durante o tratamento, eles poderiam determinar os tempos ideais para as fases de estimulação e repouso, melhorando assim a eficiência do tratamento.
Nova abordagem para inúmeras aplicações
“Foi previamente assumido que a plasticidade estrutural também segue o princípio da plasticidade Hebbian. Os resultados sugerem que a plasticidade estrutural é governada pelo princípio homeostático, que não foi levado em consideração antes ”, disse a Prof. Abigail Morrison, chefe do Laboratório de Neurociência de Simulação em Jülich. Sua equipe já está integrando a nova regra ao software de simulação de acesso livre NEST, que é usado por vários cientistas em todo o mundo.
Essas descobertas também são relevantes para o Projeto Cérebro Humano. Neurocientistas, cientistas médicos, cientistas da computação, físicos e matemáticos na Europa estão trabalhando lado a lado para simular todo o cérebro humano em computadores de alto desempenho da próxima geração, a fim de entender melhor como ele funciona. “Devido ao circuito sináptico complexo no ser humano cérebro, não é plausível que sua tolerância a falhas e flexibilidade sejam alcançadas com base em regras de conexão estática. Os modelos são, portanto, necessários para um processo de auto-organização ”, afirma o Prof. Markus Diesmann, do Instituto de Neurociências e Medicina de Jülich, que está envolvido no projeto. Ele chefia a Neurociência Computacional e de Sistemas (INM-6), um subinstituto que trabalha na interface entre a pesquisa neurocientífica e a tecnologia de simulação.
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Mais informação: Uma regra simples para a formação da espinha dendrítica e do botão axonal pode ser responsável pela reorganização cortical após lesões retinianas focais, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (publicado online 10 October 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259