Pesquisadores da UCLA descobriram um novo mecanismo de memória no cérebro que reduz os custos de energia e melhora o armazenamento da memória, oferecendo potencialmente novos insights sobre o Alzheimer e outros distúrbios de memória.
A pesquisa da UCLA Health identifica um novo estado de memória chamado inatividade espontânea persistente.
Pesquisadores da UCLA Health identificaram um processo que lembra enquanto reduz os custos metabólicos, mesmo durante o sono. Esta memória eficiente é encontrada numa região cerebral essencial para a aprendizagem e a memória, que é também onde Alzheimer origem da doença.
A descoberta foi publicada na revista Comunicações da Natureza.
Isso lhe parece 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 à compreensão dos mecanismos pelos quais as vastas redes de neurônios no cérebro criam a memória de trabalho.
O papel do córtex entorrinal
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 compreender que tipo de magia 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 demência relacionada, e 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 em UCLA.
Para resolver este problema, Mehta e os seus co-autores conceberam 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 corpo. 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.
Simplificando Sistemas Complexos
“Para enfrentar este desafio aparentemente impossível de elaborar uma teoria simples que ainda possa explicar os dados experimentais da dinâmica da 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 da UCLA 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 co-autor, 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, usaram 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 esta 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.”
Descobrindo novos estados de memória
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 depois 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 espontânea persistente, disse Mehta.
“É como se uma onda chegasse e o córtex entorrinal dissesse: ‘Não há onda! Vou lembrar que recentemente não houve nenhuma onda, então vou ignorar esta onda atual e não responder de jeito nenhum’. 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 do que duplica a capacidade de memória enquanto reduz o custo da energia metabólica pela metade.”
“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. “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 total 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”, continuou Mehta. “Isso revela algo que nenhum microscópio existente poderia ver sem ele. Não importa quantos neurônios você tenha imaginado, nada disso teria sido revelado.
“Na verdade, as deficiências metabólicas são uma característica comum de muitos distúrbios de memória”, disse Mehta. O laboratório de Mehta está agora acompanhando este trabalho para entender como a memória de trabalho complexa é formada e o que acontece de errado no córtex entorrinal durante a doença de Alzheimer, demência e outros distúrbios de memória.”
Referência: “Atividade persistente espontânea e inatividade in vivo revela conectividade funcional cortico-entorrinal diferencial” por Krishna Choudhary, Sven Berberich, Thomas TG Hahn, James M. McFarland e Mayank R. Mehta, 8 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47617-6
