Neurocientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts descobriram uma característica surpreendente do cérebro adulto. Ele contém milhões de “sinapses silenciosas”, que são conexões imaturas entre neurônios que permanecem inativas até serem necessárias para formar novas memórias.
Durante anos, os cientistas acreditaram que essas sinapses silenciosas existiam apenas nos estágios iniciais de desenvolvimento, quando o cérebro estava aprendendo rapidamente sobre o mundo. Mas a equipe do MIT descobriu que em camundongos adultos cerca de 30% das sinapses no córtex cerebral ainda são silenciosas. Isto sugere que o cérebro adulto possui uma grande reserva de conexões não utilizadas que podem ser ativadas quando novas informações chegam.
Os investigadores dizem que este conjunto oculto de sinapses pode explicar como o cérebro continua a aprender ao longo da vida sem perturbar as memórias existentes.
“Essas sinapses silenciosas procuram novas conexões e, quando novas informações importantes são apresentadas, as conexões entre os neurônios correspondentes são fortalecidas. Isso permite que o cérebro crie novas memórias sem substituir memórias importantes armazenadas em sinapses maduras, que são mais difíceis de mudar”, diz Dimitra Vardalaki, estudante de pós-graduação do MIT e principal autora do estudo.
Mark Harnett, professor associado de ciências cerebrais e cognitivas, é o autor sênior do artigo publicado em Natureza. Kwanhoon Chung, professor assistente de engenharia química no MIT, também é autor.
Repensando como a memória funciona no cérebro adulto
As sinapses silenciosas foram identificadas pela primeira vez há décadas, principalmente em animais jovens. Durante o desenvolvimento inicial, acredita-se que eles ajudem o cérebro a absorver grandes quantidades de novas informações sobre o meio ambiente. Os cientistas acreditavam que em camundongos essas sinapses desapareciam por volta dos 12 dias de idade (o que equivale ao primeiro mês de vida humana).
No entanto, alguns investigadores suspeitaram que podem persistir na idade adulta. Surgiram pistas de pesquisas sobre dependência de drogas, que muitas vezes é considerada uma forma de aprendizagem desadaptativa. Estes estudos mostraram que as sinapses silenciosas podem reaparecer ou persistir no cérebro adulto.
O trabalho teórico dos neurocientistas Stefan Fusi e Larry Abbott também sugeriu que o cérebro precisa de uma combinação de sinapses flexíveis e estáveis. Algumas conexões devem mudar facilmente para apoiar novas aprendizagens, enquanto outras devem permanecer estáveis para preservar memórias de longo prazo.
Descoberta acidental usando imagens avançadas
Inicialmente, a equipe do MIT não procurava sinapses silenciosas. Eles continuaram o trabalho anterior que mostrou que os dendritos, assim como os ramos dos neurônios, processam sinais de maneira diferente dependendo de sua localização.
Para estudar isso ainda mais, os pesquisadores mediram os receptores de neurotransmissores ao longo dos dendritos usando uma técnica chamada eMAP (análise aprimorada do proteoma com preservação de epítopos). Esta técnica expande fisicamente o tecido cerebral, permitindo aos cientistas rotular proteínas e visualizá-las com detalhes extremamente elevados.
Durante esta imagem, os pesquisadores notaram algo inesperado.
“A primeira coisa que vimos que foi extremamente surpreendente e que não esperávamos foi que havia filopódios por toda parte”, diz Harnett.
Filopódios são pequenas projeções que se estendem dos dendritos. Embora já tenham sido observados antes, sua função não é clara porque são muito pequenos e difíceis de estudar com instrumentos tradicionais.
Filopodia e a assinatura de sinapses silenciosas
Usando a técnica eMAP, a equipe encontrou filopódios em diversas regiões cerebrais de camundongos adultos, incluindo o córtex visual, em níveis muito superiores aos relatados anteriormente. Estas estruturas continham receptores NMDA mas nenhum receptor AMPA.
Este detalhe é crucial. As sinapses ativas geralmente possuem receptores de ambos os tipos que trabalham juntos para transmitir sinais usando o neurotransmissor glutamato. Os próprios receptores NMDA não conseguem conduzir sinais elétricos em condições normais porque são bloqueados por íons de magnésio. Sem os receptores AMPA, estes compostos permanecem eletricamente inativos, razão pela qual são chamados de “silenciosos”.
Habilitando sinapses silenciosas
Para testar se esses filopódios funcionam como sinapses silenciosas, os pesquisadores usaram uma técnica modificada de patch-clamp. Isso permitiu medir a atividade elétrica em filopódios individuais, imitando a liberação de glutamato.
Eles descobriram que o glutamato por si só não produzia sinal, a menos que os receptores NMDA fossem desbloqueados experimentalmente. Isto forneceu fortes evidências de que estas estruturas se comportam como sinapses silenciosas.
A equipe mostrou então que era possível ativar ou “desativar” essas conexões. Ao acoplar a liberação de glutamato a um sinal elétrico do neurônio, os receptores AMPA se acumulam na sinapse. Isso transformou uma conexão silenciosa em uma conexão totalmente funcional, capaz de transmitir sinais.
É importante notar que este processo foi muito mais simples do que modificar sinapses já ativas.
“Se começarmos com uma sinapse já funcional, este protocolo de plasticidade não funciona”, diz Harnett. “As sinapses no cérebro adulto têm um limiar muito mais alto, talvez porque você queira que essas memórias sejam bastante persistentes. Você não quer que elas sejam sobrescritas o tempo todo. Os filopódios, por outro lado, podem ser capturados para formar novas memórias.”
Cérebro flexível e estável
Estas descobertas apoiam a ideia de que o cérebro equilibra flexibilidade e estabilidade, mantendo um fornecimento de sinapses altamente adaptáveis.
“Até onde eu sei, este trabalho é a primeira evidência real de que isso realmente funciona no cérebro dos mamíferos”, diz Harnett. “Os filopódios permitem que o sistema de memória seja flexível e durável. Você precisa de flexibilidade para obter novas informações, mas também precisa de estabilidade para reter informações importantes.”
O que isso significa para o envelhecimento e a saúde do cérebro
Agora os pesquisadores estão investigando se existem sinapses silenciosas semelhantes no cérebro humano. Eles também querem entender como essas conexões mudam com a idade ou com doenças neurológicas.
“É possível que, ao alterar o nível de flexibilidade do sistema de memória, se torne muito mais difícil mudar comportamentos e hábitos ou incorporar novas informações”, diz Harnett. “Você também pode imaginar encontrar alguns dos atores moleculares envolvidos nos filopódios e tentar manipular algumas dessas coisas para tentar restaurar a memória flexível à medida que envelhecemos”.
Pesquisas recentes em neurociência continuaram a explorar como a plasticidade sináptica apoia a aprendizagem ao longo da vida. A investigação sobre o envelhecimento do cérebro sugere que a flexibilidade sináptica reduzida pode contribuir para o declínio da memória, enquanto o trabalho sobre doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, aponta para anomalias na formação e função das sinapses. Há também um interesse crescente em direcionar mecanismos sinápticos para melhorar a resiliência cognitiva e a capacidade de aprendizagem na vida adulta.
Juntos, esses resultados pintam um quadro do cérebro muito mais dinâmico do que se pensava anteriormente. Em vez de ser consertado, parece manter um conjunto oculto de conexões prontas para serem ativadas quando novas experiências assim o exigirem.
A pesquisa foi financiada pelo Boehringer Ingelheim Fonds, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Fundação James W. e Patricia T. Poitras do MIT, uma bolsa Klingenstein-Simons, uma bolsa Valley Foundation e uma bolsa McKnight.
