Study Shows How Memories Are Stored in the Brain, With Potential Impact on Conditions Like PTSD

Resumo: Alterações nas sinapses podem ajudar a explicar como as memórias se formam e por que certos tipos de memórias são mais fortes que outros.

Fonte: USC

Que mudanças físicas ocorrem no cérebro quando uma memória é feita?

Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia respondeu, pela primeira vez, a essa pergunta induzindo uma memória em uma larva de peixe-zebra e mapeando mudanças em suas cabeças transparentes com células cerebrais iluminadas como a Times Square na véspera de Ano Novo.

Após seis anos de pesquisa, eles fizeram a descoberta inovadora de que o aprendizado faz com que as sinapses, as conexões entre os neurônios, proliferem em algumas áreas e desapareçam em outras, em vez de apenas mudar sua força, como se pensa comumente. Essas mudanças nas sinapses podem ajudar a explicar como as memórias são formadas e por que certos tipos de memórias são mais fortes que outros.

O estudo foi publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências e foi liderado por Don Arnold da USC, Scott E. Fraser e Carl Kesselman.

Novo método e ferramentas

O estudo foi possível graças a um novo tipo de rotulagem de células e um microscópio personalizado inventado na USC. Os pesquisadores também desenvolveram uma maneira de ponta para rastrear e arquivar os dados coletados para tornar suas descobertas o mais acessíveis e reproduzíveis possível.

Antes de seu trabalho, não era possível determinar a localização de uma sinapse em um cérebro vivo sem modificar sua estrutura e função, inviabilizando comparações antes e depois da formação da memória.

Por meio de uma colaboração multidisciplinar entre a USC Viterbi School of Engineering e a USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, as equipes foram capazes de determinar pela primeira vez a força e a localização das sinapses antes e depois de aprender no cérebro de um peixe-zebra vivo , um animal comumente usado para estudar a função cerebral. Os peixes-zebra são grandes o suficiente para ter cérebros que funcionam como os nossos, mas pequenos e transparentes o suficiente para oferecer uma janela para o cérebro vivo. Ao manter o peixe intacto vivo, eles foram capazes de comparar sinapses no mesmo cérebro ao longo do tempo, um avanço no campo da neurociência.

A fim de criar memórias para medir, a equipe de pesquisa teve que criar novos métodos para induzir uma larva de peixe-zebra a aprender. Eles fizeram isso treinando os peixes de 12 dias de idade para associar uma luz acesa com o aquecimento na cabeça com um laser infravermelho, uma ação que eles tentaram evitar ao tentar nadar para longe. Os peixes que aprendessem a associar a luz com o laser iminente sacudiriam suas caudas, indicando que haviam aprendido. Cinco horas de treinamento depois, a equipe conseguiu observar e capturar mudanças significativas nos cérebros desses peixes-zebra.

Além de criar essa nova abordagem, Arnold, neurocientista da USC Dornsife e professor de ciências biológicas e engenharia biomédica, liderou uma equipe que criou novos métodos para alterar o DNA do peixe para que a força e a localização de uma sinapse fossem marcadas com um proteína fluorescente que brilha quando escaneada por um laser.

“Nossas sondas podem rotular sinapses em um cérebro vivo sem alterar sua estrutura ou função, o que não era possível com ferramentas anteriores”, disse Arnold.

Isso possibilitou que o microscópio especializado desenvolvido pela equipe de Fraser escaneasse o cérebro e a imagem onde as sinapses estavam localizadas.

“O microscópio que construímos foi adaptado para resolver esse desafio de imagem e extrair o conhecimento de que precisávamos”, disse Fraser, professor reitor de ciências biológicas e engenharia biomédica do USC Michelson Center for Convergent Bioscience, com nomeações na USC Viterbi, USC Dornsife , e a Keck School of Medicine da USC.

“Às vezes, você tenta obter uma imagem tão espetacular que mata o que está vendo. Para este experimento, tivemos que encontrar o equilíbrio certo entre obter uma imagem que fosse boa o suficiente para obter respostas, mas não tão espetacular a ponto de matar os peixes com fótons”.

Com este microscópio inovador, eles puderam observar mudanças em animais vivos e obter imagens antes e depois das mudanças no mesmo espécime. Anteriormente, como os experimentos eram realizados em espécimes falecidos, eles só podiam comparar dois cérebros diferentes, um condicionado, outro não.

“Isso é imagem ninja, nós entramos sem ser notados”, disse Fraser.

O resultado foram centenas de imagens e experimentos que tiveram que ser processados ​​e analisados. Um terceiro grupo, liderado por Kesselman – um cientista da computação do USC Michelson Center for Convergent Bioscience e William H. Keck Professor of Engineering da USC Viterbi – desenvolveu novos algoritmos inovadores que tornaram isso possível, mantendo o controle dos grandes e complexos experimentos que foram realizado ao longo da investigação.

Resultados surpreendentes

A principal conclusão ao analisar essas imagens: em vez de a memória fazer com que a força das sinapses existentes mude, as sinapses em uma parte do cérebro foram destruídas e sinapses completamente novas foram criadas em uma região diferente do cérebro.

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“Nos últimos 40 anos, a sabedoria comum era que você aprende alterando a força das sinapses”, disse Kesselman, que também atua como diretor da Divisão de Informática do USC Information Sciences Institute e é professor do Daniel J. Epstein Departamento de Engenharia Industrial e de Sistemas, “mas não foi isso que encontramos neste caso”.

“Este foi o melhor resultado possível que poderíamos ter tido”, disse Arnold, “porque vimos essa mudança dramática no número de sinapses – algumas desaparecendo, outras se formando, e a vimos em uma parte muito distinta do cérebro. O dogma era que as sinapses mudam sua força. Mas fiquei surpreso ao ver um fenômeno push-pull, e que não vimos uma mudança nos pontos fortes das sinapses.”

Isso mostra imagens microscópicas de sinapses
Um software especializado desenvolvido pela equipe de pesquisa cria um mapa da localização e tamanho específicos das sinapses a partir da imagem tridimensional do microscópio. Comparando os mapas de sinapses de antes e depois do aprendizado, podemos identificar sinapses que foram criadas ou eliminadas no processo. A linha vermelha na figura da direita mostra um limite entre as regiões do cérebro que mostram o ganho geral e a perda geral. Crédito: Don Arnold, University of Southern California

Os resultados sugerem que mudanças no número de sinapses codificam memórias no experimento e podem ajudar a explicar por que memórias associativas negativas, como aquelas associadas ao TEPT, são tão robustas.

“Pensa-se que a formação da memória envolve principalmente a remodelação das conexões sinápticas existentes”, disse Arnold, “enquanto neste estudo, encontramos a formação e eliminação de sinapses, mas vimos apenas pequenas mudanças aleatórias na força sináptica das sinapses existentes. Isso pode ser porque este estudo se concentrou em memórias associativas, que são muito mais robustas do que outras memórias e são formadas em um local diferente no cérebro, a amígdala, versus o hipocampo para a maioria das outras memórias. Isso pode um dia ter relevância para o TEPT, que se acredita ser mediado pela formação de memórias associativas”.

Um aspecto incomum do artigo e do estudo associado foi seu foco em como tornar os resultados da investigação o mais transparentes e reprodutíveis possível, tornando todos os dados associados ao artigo pesquisáveis ​​e disponíveis para qualquer cientista em um site disponível publicamente, Mapeando o Sináptomo Dinâmico. A acessibilidade de todos os dados e códigos é essencial para a reprodução de resultados científicos, mas o acesso a todos os dados que foram usados ​​para produzir um artigo raramente é realizado. Por exemplo, estudos recentes mostraram que apenas 20% das pesquisas sobre o câncer são reproduzíveis porque os dados não estão disponíveis.

“A equipe da USC estabeleceu um novo padrão para o acesso a dados, pois todos os dados gerados durante a investigação de seis anos foram capturados e organizados para esta pesquisa”, disse Kesselman, que projetou esse novo paradigma. “Nós abordamos esse problema desde o início criando um sistema abrangente projetado para compartilhamento e análise de dados. Foi útil ao fazer nossos experimentos porque as equipes podem acessar os dados o tempo todo e orientar aqueles que desejam usar nosso trabalho no futuro.”

“Eu realmente acredito que este é o futuro da transparência na pesquisa, uma nova era, e a USC está à frente da curva”, disse Fraser.

O estudo em andamento representa a mais recente colaboração interdisciplinar da USC com pesquisadores do USC Michelson Center for Convergent Bioscience, Dornsife, Viterbi e da Keck School of Medicine da USC.

Sobre esta notícia de pesquisa de TEPT e memória

Autor: Assessoria de Imprensa
Fonte: USC
Contato: Assessoria de Imprensa – USC
Imagem: A imagem é creditada a Don Arnold, University of Southern California

Pesquisa original: As descobertas aparecerão em PNAS

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