As ondas lentas do sono profundo


Technische Universitaet Muenchen

O ritmo fascinante das ondas lentas do cérebro

Cientistas sondam a fonte de um sinal pulsante em um cérebro adormecido

 IMAGEM: Gerada por uma simulação em computador, esta imagem mostra como um breve pulso de luz dirigido sobre um pequeno grupo de neurônios se propaga por todo o córtex. A experiência é realizada com cérebros vivos de camundongos anestesiados  Clique aqui para mais informações.

Novas descobertas esclarecem como e onde as “ondas lentas” do cérebro se originam. Acredita-se que esses pulsos rítmicos de sinais que se espalham pelo cérebro durante o sono em uma taxa de um ciclo por segundo, exerçam um papel em processos tais como a consolidação das memórias. Pela primeira vez, pesquisadores demonstraram de maneira conclusiva que essas ondas lentas começam no córtex cerebral, a parte do cérebro responsável pelas funções cognitivas. E eles também descobriram que essas ondas podem ser emitidas a partir de um pequeno aglomerado de neurônios.

“O cérebro é uma máquina com ritmos que produz todos os tipos de ritmos o tempo todo”, explica o Prof. Arthur Konnerth da Technische Universitaet Muenchen (TUM). “São como relógios que ajudam a manter várias partes do cérebro em sintonia”. Um desses cronômetros produz o que se chama de ondas lentas do sono profundo, as quais se acredita estejam envolvidas na transformação dos fragmentos da experiência e aprendizado diários em memórias permanentes. Elas podem ser observados nos primeiros estágios do desenvolvimento [do cérebro] e podem ser corrompidas por doenças tais como o Mal de Alzheimer.

Estudos anteriores, feitos principalmente com base em medições elétricas, não eram capazes de proporcionar uma resolução espacial que permitisse mapear o início e a propagação das ondas lentas de maneira precisa. Mas, com o uso da luz, a equipe de Konnerth com base em Munique e em colaboração com pesquisadores em Stanford e na Universidade de Mainz , foi capaz de tanto estimular a emissão das ondas lentas, como de observá-las em detalhes sem precedentes. Um dos principais resultados foi a confirmação de que as ondas lentas têm sua origem apenas no córtex cerebral, o que descarta diversas outras hipóteses há muito discutidas. “A segunda descoberta mais importante”, diz Konnerth, “foi que, dos bilhões de células no cérebro, não é necessário mais do que um aglomerado local de neurônios – de 50 a 100 deles – em uma camada profunda do córtex, chamada camada 5, para criar uma onda que se espalha por todo o cérebro”.

 IMAGE: A nova técnica da optogenética permite que os pesquisadores insiram canais sensíveis à luz em neurônios específicos (representados em verde). Por meio de fibras ópticas tanto é possível emitir estímulos luminosos, como mapear espacialmente as respostas dos neurônios. Clique aqui para mais informações.

Novas luzes sobre um mecanismo neural fundamental 

A despeito do considerável número de investigações acerca das ondas lentas cerebrais, as respostas definitivas acerca dos circuitos cerebrais subjacentes continuavam elusivas. Onde ficava o marca-passo deste ritmo? Onde as ondas começam e onde elas param? Este estudo – com base na sondagem óptica de cérebros intactos de camundongos anestesiados – fornece finalmente as bases para uma visão detalhada e compreensiva.

“Nós implementamos uma abordagem optogenética combinada com a detecção óptica da atividade neuronal para explorar as características causadoras dessas oscilações lentas, ou seja: dessa atividade liga-desliga, que representam o ritmo predominante na rede [de neurônios] durante o sono”, explica o Prof. Albrecht Stroh da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz. Optogenética é uma técnica nova que permitiu aos pesquisadores inserir canais sensíveis à luz em tipos específicos de neurônios, tornando-os suscetíveis a estímulos luminosos. Isto permitiu o estímulo seletivo e definido em termos espaciais de pequenos números de neurônios corticais e talâmicos.

O acesso ao cérebro por meio de fibras ópticas permitiu tanto o registro microscópico, quanto o estímulo direto dos neurônios. Flashes de luz perto dos olhos dos camundongos também foram usados para estimular os neurônios do córtex visual. Por meio do acompanhamento do fluxo dos íons de cálcio – um sinal químico que permite uma leitura espacial mais precisa da atividade elétrica – os pesquisadores tornaram as ondas lentas visíveis. E eles também correlacionaram as leituras ópticas com medições elétricas mais convencionais. Como resultado, foi possível observar as frentes de onda individuais se propagarem – como as ondulações causadas por uma pedra atirada em um lago tranquilo – primeiro através do córtex e, daí, através de outras estruturas cerebrais.

Um novo quadro começou a emergir: Não só é possível que um pequeno aglomerado local de neurônios inicie uma onda lenta que irá se propagar até longe, recrutando várias regiões do cérebro a participar de um único evento, como isto parece ser um evento típico. “Em condições espontâneas”, afirma Konnerth, “à medida em que isto acontece comigo e você e todos os demais, todas as noites durante o sono profundo, cada parte do córtex pode ser o local de início”. Além disto, um protocolo de comunicação surpreendentemente simples pode ser visto no ritmo das ondas lentas. Durante cada ciclo de um segundo, um único aglomerado de neurônios envia seu sinal e todos os outros ficam silenciosos, como se estivessem funcionando em turnos para banhar o cérebro com fragmentos de experiências, ou de aprendizado, unidades de construção da memória. Os pesquisadores veem suas descobertas como um passo na direção de uma melhor compreensão do aprendizado e da formação de memórias, um tópico investigado pelo grupo de Konnerth com o financiamento do Conselho Europeu de Pesquisas. Ao par disto, eles também estão investigando como as ondas lentas se comportam no caso de doenças [cerebrais].

 IMAGEM: Estas medições foram feitas com o registro óptico do fluxo de íons de cálcio em neurônios modificados pela optogenética. A sequência de quatro pulsos alternados – os gerados pelo estímulo visual do córtex marcados pelo “sol” e os gerados por fibra óptica, marcados “OG”, evidencia que o estímulo artificialmente lançado sobre um pequeno grupo de neurônios causa uma resposta similar a um estímulo externo sobre todo o córtex visual. Clique aqui para mais informações.

 

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A pesquisa foi financiada pela Fundação Alemã de Pesquisas (DFG), o Instituto de Estudos Avançados da TUM e o Núcleo de Excelência SyNergy (Núcleo de Munique para Neurologia de Sistemas), a Fundação Friedrich Schiedel Foundation e a Comissão Européia (Projeto Corticonic).

Publicação:

Making Waves: Initiation and Propagation of Corticothalamic Ca2+ Waves In Vivo. Albrecht Stroh, Helmuth Adelsberger, Alexander Groh, Charlotta Ruehlmann, Sebastian Fischer, Anja Schierloh, Karl Deisseroth e Arthur Konnerth.

Neuron 77, 1136-1150, March 20, 2013,

DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2013.01.031

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