Matt Curtis para a revista Quanta
Os neurocientistas descobriram um modo de economia de energia nos neurônios do sistema de visão que funciona ao custo de ser capaz de ver detalhes refinados.
Quando nossos telefones e computadores ficam sem energia, suas telas brilhantes ficam escuras e eles morrem uma espécie de morte digital. Mas mude-os para o modo de baixo consumo de energia para economizar energia, e eles cortam operações descartáveis para manter os processos básicos funcionando até que suas baterias possam ser recarregadas.
Nosso cérebro intensivo em energia precisa manter suas luzes acesas também. As células cerebrais dependem principalmente de entregas constantes do açúcar glicose, que convertem em trifosfato de adenosina (ATP) para alimentar seu processamento de informações. Quando estamos com um pouco de fome, nosso cérebro geralmente não muda muito seu consumo de energia. Mas, dado que humanos e outros animais historicamente enfrentaram a ameaça de longos períodos de fome, às vezes sazonalmente, os cientistas se perguntaram se os cérebros poderiam ter seu próprio tipo de modo de baixo consumo para emergências.
Agora, em um artigo publicado na Neuron em janeiro, neurocientistas do laboratório de Nathalie Rochefort na Universidade de Edimburgo revelaram uma estratégia de economia de energia nos sistemas visuais de camundongos. Eles descobriram que quando os camundongos foram privados de comida suficiente por semanas a fio – tempo suficiente para perder 15% a 20% de seu peso saudável típico – os neurônios no córtex visual reduziram a quantidade de ATP usada em suas sinapses em um tamanho considerável. 29%.
Mas o novo modo de processamento veio com um custo para a percepção: prejudicou a forma como os ratos viam detalhes do mundo. Como os neurônios no modo de baixa potência processavam os sinais visuais com menos precisão, os camundongos com restrição alimentar tiveram um desempenho pior em uma tarefa visual desafiadora.
“O que você está obtendo neste modo de baixo consumo de energia é mais uma imagem de baixa resolução do mundo”, disse Zahid Padamsey, o primeiro autor do novo estudo.
O novo trabalho recebeu amplo interesse e elogios de neurocientistas, incluindo aqueles que estudam processos sensoriais e cognitivos não relacionados à visão que podem ser alterados da mesma forma pela privação de energia. Isso pode ter implicações importantes para entender como a desnutrição ou mesmo algumas formas de dieta podem afetar a percepção das pessoas sobre o mundo. Também levanta questões sobre o uso generalizado da restrição alimentar para motivar animais em estudos de neurociência, e a possibilidade de que a compreensão dos pesquisadores sobre percepção e comportamento tenha sido distorcida por estudos de neurônios em um estado subótimo e de baixa potência.
Menos comida, menos precisão
Se você já sentiu que não consegue se concentrar em uma tarefa quando está com fome – ou que tudo em que consegue pensar é em comida – as evidências neurais o apoiam. Trabalhos de alguns anos atrás confirmaram que a fome de curto prazo pode alterar o processamento neural e influenciar nossa atenção de maneiras que podem nos ajudar encontrando comida mais rapidamente.
Em 2016, Christian Burgess, neurocientista da Universidade de Michigan, e seus colegas descobriram que, quando os ratos visualizavam uma imagem que associavam a comida, uma área de seu córtex visual mostrava mais atividade neuronal se estivessem com fome; depois que eles comeram, essa atividade diminuiu. Da mesma forma, estudos de imagem em humanos descobriram que imagens de alimentos evocam respostas mais fortes em algumas áreas do cérebro quando os indivíduos estão com fome em comparação com depois de terem comido.
O que você está obtendo neste modo de baixo consumo é mais uma imagem de baixa resolução do mundo.
Esteja você com fome ou não, “os fótons que atingem suas retinas são os mesmos”, disse Burgess. “Mas a representação em seu cérebro é muito diferente porque você tem esse objetivo que seu corpo sabe que você precisa, e está direcionando a atenção de uma maneira que ajudará a satisfazer isso.”
Mas o que acontece depois de mais do que apenas algumas horas de fome? Os pesquisadores perceberam que o cérebro pode ter maneiras de economizar energia cortando seus processos mais intensivos em energia.
A primeira evidência concreta de que este é o caso veio dos minúsculos cérebros de moscas em 2013. Pierre-Yves Plaçais e Thomas Preat do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e ESPCI Paris descobriram que quando as moscas estão morrendo de fome, um caminho cerebral necessário para formar um tipo energeticamente caro de memória de longo prazo é desligado. Quando forçaram o caminho para ativar e formar memórias, as moscas famintas morreram muito mais rápido – o que sugere que desligar esse processo conservou energia e preservou suas vidas.
Se os cérebros de mamíferos muito maiores e cognitivamente avançados fizeram algo semelhante, no entanto, era desconhecido. Também não ficou claro se algum modo de economia de energia entraria em ação antes que os animais morressem de fome, como as moscas. Havia motivos para pensar que não: se a energia usada para o processamento neural fosse reduzida muito cedo, a capacidade do animal de encontrar e reconhecer alimentos poderia ser comprometida.
O novo artigo oferece a primeira visão de como o cérebro se adapta para economizar energia, uma vez que os alimentos são escassos, mas não inexistentes, há muito tempo.
Durante um período de três semanas, os pesquisadores restringiram a quantidade de comida disponível para um grupo de camundongos até que eles perdessem 15% do peso corporal. Os ratos não estavam morrendo de fome: na verdade, os pesquisadores alimentaram os ratos logo antes dos experimentos para evitar as mudanças neurais dependentes da fome de curto prazo vistas por Burgess e outros grupos de pesquisa. Mas os ratos também não estavam recebendo tanta energia quanto precisavam.
Os pesquisadores então começaram a escutar as conversas entre os neurônios dos camundongos. Eles mediram o número de picos de voltagem – os sinais elétricos que os neurônios usam para se comunicar – enviados por um punhado de neurônios no córtex visual quando os ratos visualizavam imagens de barras pretas orientadas em diferentes ângulos. Neurônios no córtex visual primário respondem a linhas com orientações preferidas. Por exemplo, se a orientação preferida de um neurônio for de 90 graus, ele enviará picos mais frequentes quando um estímulo visual tiver elementos inclinados em ou perto de 90 graus, mas a taxa cai consideravelmente à medida que o ângulo fica muito maior ou menor.
Os neurônios só podem enviar um pico quando sua voltagem interna atinge um limite crítico, que eles atingem bombeando íons de sódio carregados positivamente para dentro da célula. Mas após o pico, os neurônios precisam bombear todos os íons de sódio de volta – uma tarefa que os neurocientistas descobriram em 2001 como um dos processos que mais demandam energia no cérebro.
Os autores estudaram esse processo caro em busca de evidências de truques de economia de energia e acabou sendo o lugar certo para procurar. Neurônios em camundongos privados de comida diminuíram as correntes elétricas que se movem através de suas membranas – e o número de íons de sódio que entram – para que eles não tenham que gastar tanta energia bombeando íons de sódio de volta após o pico. Deixar entrar menos sódio pode resultar em menos picos, mas de alguma forma os camundongos privados de comida mantiveram uma taxa semelhante de picos em seus neurônios corticais visuais como camundongos bem alimentados. Assim, os pesquisadores procuraram os processos compensatórios que mantinham a taxa de pico.
Eles encontraram duas mudanças, as quais tornaram mais fácil para um neurônio gerar picos. Primeiro, os neurônios aumentaram sua resistência de entrada, o que diminuiu as correntes em suas sinapses. Eles também aumentaram seu potencial de membrana em repouso, de modo que já estava próximo do limiar necessário para enviar um pico.
“Parece que os cérebros se esforçam muito para manter as taxas de disparo”, disse Anton Arkhipov, neurocientista computacional do Allen Institute for Brain Science, em Seattle. “E isso está nos dizendo algo fundamental sobre a importância de manter essas taxas de disparo.” Afinal, os cérebros poderiam facilmente ter economizado energia disparando menos picos.
Mas manter a mesma taxa de pico significa sacrificar outra coisa: os neurônios corticais visuais nos camundongos não podiam ser tão seletivos sobre as orientações das linhas que os faziam disparar, então suas respostas se tornaram menos precisas.
Uma visão de baixa resolução
Para verificar se a percepção visual foi afetada pela precisão reduzida dos neurônios, os pesquisadores colocaram os camundongos em uma câmara subaquática com dois corredores, cada um marcado por uma imagem diferente de barras pretas em ângulo sobre um fundo branco. Um dos corredores tinha uma plataforma escondida que os ratos podiam usar para sair da água. Os ratos aprenderam a associar a plataforma oculta a uma imagem de barras em um ângulo específico, mas os pesquisadores poderiam dificultar a escolha do corredor correto, tornando os ângulos retratados mais semelhantes.
Os ratos privados de comida encontraram facilmente a plataforma quando a diferença entre as imagens certas e erradas era grande. Mas quando a diferença entre os ângulos retratados era inferior a 10 graus, de repente os camundongos privados de comida não conseguiam mais distinguir entre eles com a mesma precisão dos camundongos bem alimentados. A consequência da economia de energia foi uma visão do mundo com uma resolução ligeiramente mais baixa.
Os resultados sugerem que os cérebros priorizam as funções mais críticas para a sobrevivência. Ser capaz de ver uma diferença de 10 graus na orientação das barras provavelmente não é essencial para encontrar frutas próximas ou detectar um predador que se aproxima.
Um impacto realmente profundo é que mostra claramente que a restrição alimentar afeta a função cerebral.
O fato de que essas deficiências na percepção ocorreram muito antes de o animal entrar em fome real foi inesperado. Isso foi “absolutamente surpreendente para mim”, disse Lindsey Glickfeld, neurocientista que estuda visão na Duke University. “De alguma forma, o sistema [de visão] descobriu essa maneira de diminuir massivamente o uso de energia apenas com essa mudança relativamente sutil na capacidade do animal de realizar a tarefa perceptiva”.
Por enquanto, o estudo apenas nos diz com certeza que os mamíferos podem ativar um mecanismo de economia de energia nos neurônios corticais visuais. “Ainda é possível que o que mostramos não se aplique, por exemplo, aos sentidos olfativos”, disse Rochefort. Mas ela e seus colegas suspeitam que isso ocorra em graus variados também em outras áreas corticais.
Outros pesquisadores também pensam assim. “No geral, os neurônios funcionam da mesma forma nas áreas corticais”, disse Maria Geffen, neurocientista que estuda o processamento auditivo na Universidade da Pensilvânia. Ela espera que os impactos da economia de energia na percepção sejam os mesmos em todos os sentidos, aumentando a atividade que é mais útil para o organismo no momento e diminuindo todo o resto.
“Nós não usamos nossos sentidos em seus limites na maioria das vezes”, disse Geffen. “Dependendo das demandas comportamentais, o cérebro está sempre se ajustando.”
Felizmente, qualquer imprecisão que apareça não é permanente. Quando os pesquisadores deram aos camundongos uma dose do hormônio leptina, que o corpo usa para regular seu equilíbrio de energia e níveis de fome, eles encontraram o interruptor que liga e desliga o modo de baixo consumo. Os neurônios voltaram a responder com alta precisão às suas orientações preferidas e, assim, os déficits perceptivos desapareceram – tudo sem que os camundongos ingerissem um pedaço de comida.
“Quando fornecemos leptina, podemos enganar o cérebro a ponto de restaurar a função cortical”, disse Rochefort.
Como a leptina é liberada pelas células de gordura, os cientistas acreditam que sua presença no sangue provavelmente sinalizará ao cérebro que o animal está em um ambiente onde a comida é abundante e não há necessidade de economizar energia. O novo trabalho sugere que baixos níveis de leptina alertam o cérebro para o estado desnutrido do corpo, mudando o cérebro para o modo de baixo consumo.
“Esses resultados são extraordinariamente satisfatórios”, disse Julia Harris, neurocientista do Francis Crick Institute, em Londres. “Não é tão comum obter um achado tão bonito que esteja tão de acordo com o entendimento existente”,
Distorcendo a neurociência?
Uma implicação significativa das novas descobertas é que muito do que sabemos sobre como os cérebros e os neurônios funcionam pode ter sido aprendido de cérebros que os pesquisadores involuntariamente colocaram no modo de baixo consumo. É extremamente comum restringir a quantidade de comida disponível para camundongos e outros animais experimentais por semanas antes e durante os estudos de neurociência para motivá-los realizando tarefas em troca de uma recompensa alimentar. (Caso contrário, os animais geralmente preferem ficar sentados.)
“Um impacto realmente profundo é que mostra claramente que a restrição alimentar afeta a função cerebral”, disse Rochefort. As mudanças observadas no fluxo de íons carregados podem ser especialmente significativas para os processos de aprendizado e memória, ela sugeriu, uma vez que dependem de mudanças específicas que acontecem nas sinapses.
“Temos que pensar com muito cuidado sobre como projetamos experimentos e como interpretamos experimentos se quisermos fazer perguntas sobre a sensibilidade da percepção de um animal ou a sensibilidade dos neurônios”, disse Glickfeld.
Os resultados também abrem novas questões sobre como outros estados fisiológicos e sinais hormonais podem afetar o cérebro, e se níveis diferentes de hormônios na corrente sanguínea podem fazer com que os indivíduos vejam o mundo de forma ligeiramente diferente.
Rune Nguyen Rasmussen, neurocientista da Universidade de Copenhague, observou que as pessoas variam em seus perfis metabólicos e de leptina. “Isso significa, então, que mesmo nossa percepção visual – embora possamos não estar cientes disso – é realmente diferente entre os humanos?” ele disse.
Rasmussen adverte que a pergunta é provocativa, com poucas pistas sólidas para a resposta. Parece provável que as percepções visuais conscientes dos camundongos tenham sido afetadas pela privação de alimentos porque houve mudanças nas representações neuronais dessas percepções e nos comportamentos dos animais. Não podemos saber com certeza, no entanto, “já que isso exigiria que os animais pudessem nos descrever sua experiência visual qualitativa e, obviamente, eles não podem fazer isso”, disse ele.
Mas até agora também não há motivos para pensar que o modo de baixa potência encenado pelos neurônios corticais visuais em camundongos e seu impacto na percepção não serão os mesmos em humanos e outros mamíferos.
“Esses são mecanismos que eu acho que são realmente fundamentais para os neurônios”, disse Glickfeld.
Nota do editor: Nathalie Rochefort é membro do conselho da Simons Initiative for the Developing Brain, que é financiada pela Simons Foundation, patrocinadora desta revista editorialmente independente. Maria Geffen é membro do conselho consultivo da Quanta.
Publicado em 18/06/2022 16h39
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