‘Microscópio matemático’ revela novo mecanismo de memória de trabalho com eficiência energética que funciona mesmo durante o sono

Pesquisadores da UCLA Health descobriram um mecanismo que cria memórias enquanto reduz o custo metabólico, mesmo durante o sono. Esta memória eficiente ocorre numa parte do cérebro que é crucial para a aprendizagem e a memória, e onde começa a doença de Alzheimer.

A descoberta foi publicada na revista Comunicações da Natureza.

Isso soa familiar? Você vai até a cozinha buscar alguma coisa, mas quando chega lá esquece o que queria. Esta é a sua memória de trabalho falhando. A memória de trabalho é definida como lembrar de algumas informações por um curto período enquanto você faz outras coisas. Usamos memória de trabalho praticamente o tempo todo.

Pacientes com Alzheimer e demência apresentam déficits de memória de trabalho, e isso também aparece no comprometimento cognitivo leve (MCI). Conseqüentemente, um esforço considerável tem sido dedicado para compreender os mecanismos pelos quais as vastas redes de neurônios no cérebro criam a memória de trabalho.

Durante as tarefas de memória de trabalho, a camada mais externa do cérebro, conhecida como neocórtex, envia informações sensoriais para regiões mais profundas do cérebro, incluindo uma região central chamada córtex entorrinal, que é crucial para a formação de memórias. Os neurónios no córtex entorrinal apresentam um complexo conjunto de respostas, que há muito tempo intrigam os cientistas e resultaram no Prémio Nobel da Medicina de 2014, mas os mecanismos que governam esta complexidade são desconhecidos. O córtex entorrinal é onde a doença de Alzheimer começa a se formar.

“Portanto, é fundamental entender que tipo de mágica acontece na rede córtico-entorrinal, quando o neocórtex fala com o córtex entorrinal, que o transforma em memória de trabalho. Poderia fornecer um diagnóstico precoce da doença de Alzheimer e da demência relacionada, e do comprometimento cognitivo leve. “, disse o autor correspondente Mayank Mehta, neurofísico e chefe do Centro de Neurofísica WM Keck e do Centro de Física da Vida da UCLA.

Para resolver este problema, Mehta e seus coautores desenvolveram uma nova abordagem: um “microscópio matemático”.

No mundo da física, modelos matemáticos são comumente usados, de Kepler a Newton e Einstein, para revelar coisas incríveis que nunca vimos ou sequer imaginamos, como o funcionamento interno de partículas subatômicas e o interior de um buraco negro. Modelos matemáticos também são usados ​​nas ciências do cérebro, mas suas previsões não são levadas tão a sério como na física. A razão é que, na física, as previsões das teorias matemáticas são testadas quantitativamente, e não apenas qualitativamente.

Acredita-se que tais testes experimentais quantitativamente precisos de teorias matemáticas sejam inviáveis ​​em biologia porque o cérebro é muito mais complexo do que o mundo físico. As teorias matemáticas em física são muito simples, envolvendo poucos parâmetros livres e, portanto, testes experimentais precisos. Em contraste, o cérebro tem milhares de milhões de neurónios e biliões de ligações, um pesadelo matemático, e muito menos um microscópio altamente preciso.

“Para enfrentar este desafio aparentemente impossível de elaborar uma teoria simples que ainda possa explicar a experiência de dados de dinâmica de memória in vivo com alta precisão, levantamos a hipótese de que o diálogo córtico-entorrinal e a magia da memória ocorrerão mesmo quando os sujeitos estiverem dormindo , ou anestesiado”, disse o Dr. Krishna Choudhary, principal autor do estudo. “Assim como um carro se comporta como um carro quando está parado ou a 70 mph.”

Os pesquisadores fizeram então outra grande suposição: a dinâmica de todo o córtex e do córtex entorrinal durante o sono ou a anestesia pode ser capturada por apenas dois neurônios. Essas suposições reduziram o problema das interações de bilhões de neurônios a apenas duas variáveis ​​livres – a força da entrada do neocórtex para o córtex entorrinal e a força das conexões recorrentes dentro do córtex entorrinal. Embora isto torne o problema matematicamente tratável, levanta a questão óbvia: é verdade?

“Se testarmos quantitativamente a nossa teoria em dados in vivo, então estes são apenas jogos matemáticos interessantes, e não uma compreensão sólida da magia de criação de memória”, disse Mehta.

Os testes experimentais cruciais desta teoria exigiram experimentos sofisticados do Dr. Thomas Hahn, co-autor que hoje é professor na Universidade de Basileia e psicólogo clínico.

“O córtex entorrinal é um circuito complicado. Para realmente testar a teoria, precisávamos de técnicas experimentais que pudessem não apenas medir a atividade neural com alta precisão, mas também determinar a identidade anatômica precisa do neurônio”, disse Hahn.

Hahn e o Dr. Sven Berberich, também coautor, mediram o potencial de membrana de neurônios identificados do córtex entorrinal in vivo, usando a técnica de patch clamp de células inteiras e, em seguida, técnicas anatômicas para identificar o neurônio. Simultaneamente, eles mediram a atividade do córtex parietal, uma parte do neocórtex que envia informações para o córtex entorrinal.

“Uma teoria matemática e dados in vivo sofisticados são necessários e interessantes, mas tivemos que enfrentar mais um desafio – como mapear essa teoria simples em dados neurais complexos?” disse Mehta.

“Isso exigiu um período prolongado de desenvolvimento, para gerar um ‘microscópio matemático’ que pudesse revelar diretamente o funcionamento interno dos neurônios à medida que eles criam a memória”, disse Choudhary. “Até onde sabemos, isso não foi feito antes.”

Os autores observaram que, tal como uma onda oceânica que se forma e depois se choca contra a costa, os sinais do neocórtex oscilam entre estados ligados e desligados em intervalos enquanto uma pessoa ou animal dorme. Enquanto isso, o córtex entorrinal agia como um nadador na água, que pode subir quando a onda se forma e descer quando ela recua. Os dados mostraram isso e o modelo também capturou isso. Mas, usando essa combinação simples, o modelo ganhou vida própria e descobriu um novo tipo de estado de memória conhecido como inatividade persistente espontânea, disse Mehta.

“É como se uma onda chegasse e o córtex entorrinal dissesse: ‘Não há onda. Vou lembrar que recentemente não houve onda, então vou ignorar esta onda atual e não responder de forma alguma.’ Esta é uma inatividade persistente”, disse Mehta. “Alternativamente, a atividade persistente ocorre quando a onda cortical desaparece, mas os neurônios entorrinais lembram que houve uma onda muito recentemente e continuam avançando”.

Embora muitas teorias sobre a memória de trabalho tenham mostrado a presença de atividade persistente, o que os autores descobriram, a inatividade persistente era algo que o modelo previa e nunca tinha sido visto antes.

“A parte legal da inatividade persistente é que ela praticamente não consome energia, ao contrário da atividade persistente, que consome muita energia”, disse Mehta. “Melhor ainda, a combinação de atividade persistente e inatividade mais que duplica a capacidade de memória, ao mesmo tempo que reduz pela metade o custo de energia metabólica”.

“Tudo isto parecia bom demais para ser verdade, por isso levamos o nosso microscópio matemático ao limite, para um regime onde não foi concebido para funcionar”, disse o Dr. Choudhary. “Se o microscópio estivesse certo, continuaria funcionando perfeitamente mesmo em situações incomuns”.

“O microscópio matemático fez uma dúzia de previsões, não apenas sobre o entorrinal, mas também sobre muitas outras regiões do cérebro. Para nossa completa surpresa, o microscópio matemático funcionou sempre”, continuou Mehta. “Essa combinação quase perfeita entre as previsões de uma teoria matemática e os experimentos não tem precedentes na neurociência.

“Este modelo matemático que combina perfeitamente com os experimentos é um novo microscópio”, acrescentou Mehta. “Ele revela algo que nenhum microscópio existente poderia ver sem ele. Não importa quantos neurônios você tenha imaginado, não teria revelado nada disso. Na verdade, deficiências metabólicas são uma característica comum de muitos distúrbios de memória.”

O laboratório de Mehta está agora a acompanhar este trabalho para compreender como se forma a memória de trabalho complexa e o que acontece de errado no córtex entorrinal durante a doença de Alzheimer, demência e outros distúrbios de memória.