O hipocampo é uma área do cérebro conhecida por desempenhar um papel fundamental na codificação de memórias de longo prazo. Além de contribuir para a formação de memórias relacionadas a eventos, essa região do cérebro apóia a criação dos chamados mapas cognitivos. Esses são mapas mentais do mundo que guiam os humanos enquanto navegam em ambientes conhecidos; por exemplo, mostrando-lhes como ir de um lugar para outro.
Estudos anteriores da neurociência descobriram que células de localização do hipocampo, neurônios que codificam sequencialmente informações relacionadas a espaços próximos enquanto humanos e animais os exploram, tendem a “repetir” as mesmas sequências de atividades após a exploração. Esse processo fascinante se assemelha à maneira como os humanos podem rebobinar e reproduzir uma música que gravaram em uma fita cassete antiga.
Pesquisadores do Centro Médico da Universidade de Columbia realizaram recentemente um estudo investigando os padrões de reativação no hipocampo, examinando células locais do hipocampo no cérebro de camundongos enquanto os camundongos completavam tarefas de aprendizado de recompensa espacial e, subsequentemente, enquanto descansavam. Seu artigo, publicado na Nature Neuroscience, sugere que os padrões de reativação no hipocampo desempenham um papel crucial na consolidação de mapas cognitivos imparciais ao longo do tempo.
“Curiosamente, ao contrário das sequências de locais relacionadas à exploração, os eventos de reativação sequencial no hipocampo ocorrem durante os períodos de inatividade e continuam ocorrendo mesmo em um ambiente diferente daquele que está sendo reproduzido”, disse Andres D. Grosmark, o principal pesquisador do estudo, ao Medical Xpress. “Eles também ocorrem em uma escala de tempo mais rápida do que as sequências relacionadas à exploração, de modo que, por exemplo, uma sequência que levou 10 segundos durante a exploração pode ser reproduzida em apenas meio segundo.”
O fato de que os neurônios do hipocampo parecem estar envolvidos em uma viagem mental virtual sugere que eles podem, de fato, estar “ensaiando” as sequências espaciais que os sujeitos aprenderam enquanto exploravam o ambiente circundante. Os neurocientistas levantaram a hipótese de que os padrões de reativação ajudam a tornar as novas memórias permanentes, por meio de um processo conhecido como consolidação de memória.
“É importante ressaltar que nem todas as representações do hipocampo são permanentes, na verdade, mesmo no mesmo ambiente, alguns neurônios codificam de forma estável para o espaço, enquanto outros neurônios mudam sua seletividade espacial de um dia para o outro”, disse Grosmark. “Nossa hipótese é que quanto mais repetição os neurônios individuais participam, mais duradouras e estáveis suas representações se tornam.”
Para testar sua hipótese, Grosmark e seus colegas tiveram que superar uma série de limitações técnicas. Mais especificamente, até agora, os neurocientistas poderiam estudar a reprodução da memória (ou seja, padrões de reativação no hipocampo) em detalhes ou monitorar mudanças gerais no hipocampo ao longo de vários dias. Para investigar se a quantidade de repetição em que os neurônios do hipocampo participam impacta a estabilidade das representações neurais que eles criaram, os pesquisadores tiveram que estudar ambos os aspectos simultaneamente. Assim, eles empregaram dois métodos para estudar a memória de longo prazo em camundongos: imagens de cálcio e eletrofisiologia.
“Isso nos permitiu alavancar a capacidade da eletrofisiologia de observar dinâmicas em escala de tempo muito rápidas, incluindo reprodução, com a capacidade de seguir populações de neurônios ao longo de várias semanas associadas a técnicas de imagem de cálcio”, disse Grosmark. “Em nosso estudo, combinamos imagens de cálcio e eletrofisiologia para rastrear a formação e consolidação de memórias espaciais em grandes populações de neurônios do hipocampo em camundongos durante um período de duas semanas.”
O primeiro método usado pelos pesquisadores é a imagem de cálcio, uma técnica de microscopia que permite aos cientistas detectar opticamente a atividade neural. A imagem do cálcio usa técnicas virais para fazer com que os neurônios expressem fluoróforos sensíveis ao cálcio, de modo que mudem de cor brevemente quando se tornam ativos.
“Usando algumas ópticas e lasers muito sofisticados, isso nos permite rastrear a atividade de grandes populações de neurônios em camundongos acordados e comportados”, disse Grosmark. “Uma das principais vantagens da imagem do cálcio é que, como você está fisicamente olhando para os neurônios, pode rastreá-los por um longo período de tempo.”
A segunda técnica empregada por Grosmark e seus colegas, chamada eletrofisiologia neuronal, envolve o uso de fios muito pequenos para registrar a atividade elétrica dentro do cérebro. Medir essa atividade elétrica permite que os neurocientistas monitorem as mudanças que acontecem em áreas específicas do cérebro ou no cérebro como um todo.
“Esta técnica tem duas vantagens principais”, explicou Grosmark. “Em primeiro lugar, ele registra sinais elétricos muito rapidamente, permitindo-nos observar mudanças muito rápidas ou muito curtas na atividade dentro do cérebro. Em segundo lugar, as décadas de experiência com eletrofisiologia nos permitem usar a atividade elétrica observada para decodificar estados cerebrais, como como os estados online e offline. ”
A atividade cerebral pode ser dividida em duas categorias principais: atividade online e offline. Estados online ocorrem quando humanos ou animais estão ativamente engajados com o mundo ao seu redor, por exemplo, enquanto estão explorando seus arredores ou completando uma tarefa. Estados off-line, por outro lado, são períodos em que humanos e animais se desligam do mundo.
“Um exemplo de um estado offline é o sono; no entanto, os estados offline que investigamos em nosso estudo ocorreram espontaneamente em períodos de ‘descanso tranquilo’, quando os ratos estavam acordados, mas sentados em silêncio”, disse Grosmark. “Além das diferenças comportamentais externas, os estados online e offline também podem ser facilmente distinguidos pelos padrões únicos de oscilações da atividade cerebral observadas durante esses estados. Acredita-se que esses diferentes regimes cerebrais suportem diferentes funções.”
Como a aprendizagem está normalmente associada a uma exploração ativa do ambiente, acredita-se que ocorra durante os estados online. Por outro lado, os estados offline são considerados importantes para consolidar memórias e conhecimentos adquiridos durante a exploração (ou seja, em estados online).
“Embora concordemos com essa estrutura geral, nossos resultados sugerem que, em vez de simplesmente consolidar passivamente as memórias, os estados offline desempenham um papel ativo na seleção de quais memórias se tornam permanentes e, portanto, desempenham um papel complementar na aprendizagem, em comparação com os estados online”, explicou Grosmark.
Nas últimas décadas, um número crescente de estudos da neurociência explorou como as memórias de ações recompensadas são fortalecidas no cérebro. Em contraste com as teorias anteriores, Grosmark e seus colegas levantaram a hipótese de que, para apoiar a aprendizagem de comportamentos flexíveis, o cérebro também deve incorporar informações que não tenham um valor de recompensa óbvio no momento em que são adquiridas.
“Por exemplo, ao caminhar por uma nova cidade, podemos nos encontrar repetidamente apenas indo do ponto A ao ponto B – mas, ao longo das muitas vezes em que tomamos essa rota, construímos lentamente um mapa detalhado de todos os pontos intermediários, mesmo se nunca paramos o tempo suficiente para apreciá-los “, disse Grosmark. “Por sua vez, quando nossa programação muda e, em vez disso, queremos ir de A para C, esse mapa ‘latente’ que construímos silenciosamente pode se provar realmente útil. Além disso, o aprendizado não ocorre no vácuo; acontece dentro de um ciclo constante de engajamento e desligamento do mundo ao nosso redor, correspondendo ao que chamamos de estados online e offline. ”
Em seus experimentos, os pesquisadores observaram que o recrutamento de neurônios do hipocampo para eventos de reativação pós-aprendizagem de fato previu sua estabilidade a longo prazo vários dias depois. Além disso, esse efeito de consolidação só foi observado para representações espaciais de locais distantes de onde os animais foram recompensados. Isso sugere que a consolidação da memória offline fortalece seletivamente as representações neurais que são menos importantes do ponto de vista comportamental e, portanto, suscetíveis de serem esquecidas.
“Estamos realmente empolgados com o fato de nosso estudo levar a novos insights sobre os papéis que esses diferentes estados de engajamento e desengajamento desempenham na aprendizagem; resultando cooperativamente nas memórias cognitivamente amplas de longo prazo que são úteis para encontrar nosso caminho de volta a lugares importantes e para chegar com flexibilidade a novos destinos inesperados “, disse Grosmark.
As descobertas podem aumentar significativamente a compreensão atual de como animais e humanos consolidam mapas mentais de seu ambiente ao longo do tempo. No futuro, eles podem abrir caminho para novos estudos examinando os padrões de reativação no hipocampo, o que pode levar a novas descobertas importantes.
“O fato de que a consolidação da memória parece estar desempenhando um papel único e ativo no aprendizado abre caminhos interessantes sobre como o conteúdo da memória de longo prazo é esculpido”, acrescentou Grosmark. “Agora planejamos descobrir os mecanismos do circuito neural subjacentes a este processo de seleção offline e examinar como eles se tornam desregulados em doenças mentais conhecidas por afetar a memória de longo prazo.”
Publicado em 09/11/2021 10h07
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