Descoberto um sinal cerebral único que pode ser a chave para a inteligência humana

As células aninhadas nas camadas mais externas do cérebro humano geram um tipo especial de sinal elétrico que pode conceder a elas um impulso extra de poder de computação, sugere uma nova pesquisa. Além do mais, este sinal pode ser exclusivo para humanos – e pode explicar nossa inteligência única, de acordo com os autores do estudo.

As células cerebrais , ou neurônios, se conectam por meio de longos fios ramificados e enviam mensagens ao longo desses cabos para se comunicarem entre si. Cada neurônio tem um fio de saída, chamado axônio, e um fio que recebe mensagens, conhecido como dendrito. O dendrito passa informações para o resto do neurônio por meio de explosões de atividade elétrica.

Dependendo de como o cérebro está conectado, cada dendrito pode receber centenas de milhares de sinais de outros neurônios ao longo de seu comprimento. Embora os cientistas acreditem que esses picos elétricos ajudam a conectar o cérebro e podem ser a base de habilidades como aprendizado e memória, o papel exato dos dendritos na cognição humana permanece um mistério.

Agora, os pesquisadores descobriram um novo sabor de pico elétrico em dendritos humanos – um que eles acham que pode permitir que as células realizem cálculos antes considerados complexos demais para um único neurônio resolver por conta própria. O estudo, publicado em 3 de janeiro na revista Science , observa que a recém-descoberta propriedade elétrica nunca foi observada em qualquer tecido animal além do humano, levantando a questão de se o sinal contribui exclusivamente para a inteligência humana, ou para a dos primatas, nosso primos evolucionários.

Um sinal estranho

Até agora, a maioria dos estudos com dendritos foram realizados em tecidos de roedores, que compartilham propriedades básicas com células cerebrais humanas, disse o co-autor do estudo Matthew Larkum, professor do departamento de biologia da Universidade Humboldt em Berlim. No entanto, os neurônios humanos medem cerca de duas vezes mais do que os encontrados em um camundongo, disse ele.

“Isso significa que os sinais elétricos têm que viajar duas vezes mais longe”, disse Larkum ao Live Science. “Se não houvesse mudança nas propriedades elétricas [entre roedores e pessoas], isso significaria que, nos humanos, as mesmas entradas sinápticas seriam um pouco menos poderosas.” Em outras palavras, os picos elétricos recebidos por um dendrito enfraqueceriam significativamente no momento em que alcançassem o corpo celular do neurônio.

Então Larkum e seus colegas começaram a descobrir as propriedades elétricas dos neurônios humanos para ver como esses dendritos mais longos realmente conseguem enviar sinais de forma eficaz.

Não foi uma tarefa fácil.

Primeiro, os pesquisadores tiveram que colocar as mãos em amostras de tecido cerebral humano, um recurso notoriamente escasso. A equipe acabou usando neurônios que foram cortados do cérebro de pacientes com epilepsia e tumor como parte de seu tratamento médico. A equipe se concentrou em neurônios ressecados do córtex cerebral, o exterior enrugado do cérebro que contém várias camadas distintas.

Nos humanos, essas camadas mantêm redes densas de dendritos e se tornam extremamente espessas, um atributo que pode ser “fundamental para o que nos torna humanos”, de acordo com um comunicado da Science.

“Você recebe o lenço muito raramente, então você apenas tem que trabalhar com o que está na sua frente”, disse Larkum. E você tem que trabalhar rápido, acrescentou. Fora do corpo humano, as células cerebrais famintas de oxigênio permanecem viáveis ​​apenas por cerca de dois dias. Para tirar o máximo proveito dessa janela de tempo limitada, Larkum e sua equipe coletavam medições de uma determinada amostra pelo maior tempo possível, às vezes trabalhando 24 horas seguidas.

Durante essas maratonas experimentais, a equipe cortou o tecido cerebral em fatias e fez buracos nos dendritos contidos nele. Ao enfiar pipetas de vidro finas nesses orifícios, os pesquisadores puderam injetar íons, ou partículas carregadas, nos dendritos e observar como eles mudavam na atividade elétrica. Como esperado, os dendritos estimulados geraram picos de atividade elétrica, mas esses sinais pareciam muito diferentes de qualquer um visto antes.

Cada pico acendeu por apenas um breve período de tempo – cerca de um milissegundo. No tecido de roedores, esse tipo de pico supercurto ocorre quando uma inundação de sódio entra em um dendrito, desencadeada por um acúmulo específico de atividade elétrica. O cálcio também pode desencadear picos em dendritos de roedores, mas esses sinais tendem a durar 50 a 100 vezes mais do que os picos de sódio, disse Larkum. O que a equipe viu no tecido humano, entretanto, parecia ser um estranho híbrido dos dois.

“Embora parecesse um evento de sódio, na verdade foi um evento de cálcio “, disse Larkum. Os membros da equipe testaram o que aconteceria se eles impedissem o sódio de entrar em seus dendritos de amostra e descobriram que os picos continuavam a disparar sem diminuir. Além do mais, as pontas supercurtas dispararam em rápida sucessão, uma após a outra. Mas quando os pesquisadores bloquearam a entrada de cálcio nos neurônios, os picos pararam de repente. Os cientistas concluíram que encontraram uma nova classe de pico, semelhante em duração ao sódio, mas controlada pelo cálcio.

“Esses [picos] parecem diferentes de tudo o que conhecemos até agora de outros mamíferos”, disse Mayank Mehta, professor dos departamentos de neurologia, neurobiologia, física e astronomia da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, que não esteve envolvido no estudar. A grande questão é: como esses picos se relacionam com a função cerebral real, disse ele.

Potências computacionais

Larkum e seus colegas não puderam testar como suas amostras cortadas poderiam se comportar em um cérebro humano intacto, então eles criaram um modelo de computador com base em seus resultados. No cérebro, os dendritos recebem sinais ao longo de seu comprimento de neurônios próximos que podem empurrá-los para gerar um pico ou impedi-los de fazê-lo. Da mesma forma, a equipe projetou dendritos digitais que podem ser estimulados ou inibidos em milhares de pontos diferentes ao longo de seu comprimento. Historicamente, estudos sugerem que os dendritos registram esses sinais opostos ao longo do tempo e disparam um pico quando o número de sinais excitatórios supera os inibitórios.

Mas os dendritos digitais não se comportavam dessa maneira.

“Quando olhamos de perto, pudemos ver que havia esse estranho fenômeno”, disse Larkum. Quanto mais sinais excitatórios um dendrito recebe, menos provável é que ele gere um pico. Em vez disso, cada região em um determinado dendrito parecia “sintonizada” para responder a um nível específico de estimulação – nem mais, nem menos.

Mas o que isso significa em termos de função cerebral real? Isso significa que os dendritos podem estar processando informações em todos os pontos ao longo de sua extensão, trabalhando como uma rede unificada para decidir quais informações enviar, quais descartar e quais lidar sozinho, disse Larkum.

“Não parece que a célula está apenas adicionando coisas – ela também está jogando coisas fora”, disse Mehta ao Live Science. (Neste caso, os sinais de “jogar fora” seriam sinais excitatórios que não estão devidamente sintonizados com o “ponto ideal” da região dendrítica.) Esta superpotência computacional pode permitir que os dendritos assumam funções antes consideradas o trabalho de redes neurais inteiras. ; por exemplo, Mehta teoriza que dendritos individuais podem até codificar memórias .

Certa vez, os neurocientistas pensaram que redes inteiras de neurônios trabalharam juntas para realizar esses cálculos complexos e decidiram como responder como um grupo. Agora, parece que um dendrito individual faz esse tipo exato de cálculo sozinho.

Pode ser que apenas o cérebro humano possua este impressionante poder computacional, mas Larkum disse que é muito cedo para ter certeza. Ele e seus colegas querem pesquisar esse misterioso pico de cálcio em roedores, caso tenha sido esquecido em pesquisas anteriores. Ele também espera colaborar em estudos semelhantes em primatas para ver se as propriedades elétricas dos dendritos humanos são semelhantes às de nossos parentes evolutivos.

É muito improvável que esses espinhos tornem os humanos especiais ou mais inteligentes do que outros mamíferos, disse Mehta. Pode ser que a recém-descoberta propriedade elétrica seja exclusiva dos neurônios L2 / 3 no córtex cerebral humano, já que o cérebro do roedor também produz picos específicos em regiões específicas do cérebro, acrescentou.

Em pesquisas anteriores , Mehta descobriu que os dendritos de roedores também geram uma grande variedade de espinhos cuja função exata permanece desconhecida. O que é interessante é que apenas uma fração desses picos realmente desencadeia uma reação no corpo celular ao qual se conectam, disse ele. Em neurônios de roedores, cerca de 90 por cento dos picos dendríticos não solicitam sinais elétricos do corpo celular, sugerindo que os dendritos tanto em roedores quanto em humanos podem estar processando informações independentemente, de maneiras que ainda não entendemos.

Muito do nosso conhecimento sobre aprendizagem e memória deriva de pesquisas sobre a atividade elétrica gerada no corpo da célula do neurônio e seu cabo de saída, o axônio. Mas essas descobertas sugerem que “pode ​​ser que a maioria dos picos no cérebro esteja ocorrendo nos dendritos”, disse Mehta. “Esses picos podem mudar as regras de aprendizagem.”

Live Science