Audição em vez de visão: reconfigurando os neurônios do cérebro para se adaptar ao escuro

Os seres humanos, como muitos outros animais do planeta, são considerados principalmente criaturas do dia. Quase todos os sistemas do nosso corpo estão sintonizados para a atividade durante o dia e para o descanso durante a noite. O regulador mais importante de quando dormimos e quando permanecemos acordados é o nosso cérebro. Ele também é responsável por processar as informações recebidas através dos sentidos. A precisão dessas informações depende das circunstâncias em que foram recebidas e de como as interpretamos: no crepúsculo, há um cabide no qual um casaco fica pendurado, e nosso cérebro nos diz: "este é um monstro que nos comerá agora". No entanto, sob certas circunstâncias, alguns sinais podem compensar as desvantagens de outros.

Hoje, encontraremos um estudo em que cientistas da Universidade de Maryland (EUA) colocaram ratos de laboratório no escuro durante uma semana inteira. Como o comportamento dos camundongos mudou durante o experimento, que mudanças nas redes neurais no cérebro eles tiveram e que conclusões os cientistas tiraram de suas observações? O relatório dos pesquisadores esclarecerá essas questões. Vamos lá

Base de estudo

Todos sabemos que, ao passar de uma sala bem iluminada para uma escura, nossa visão precisa se adaptar um pouco. Esse processo é chamado de bastante prosaico - adaptação dos olhos. Quando entramos em uma sala mal iluminada, nossos olhos começam a se apavorar com as novas condições, após as quais esse processo fica mais lento. Se você fechar os olhos por alguns minutos antes de entrar na escuridão, a adaptação prosseguirá melhor e mais devagar. Há uma opinião de que foi por esse motivo que os piratas tinham uma venda nos olhos: quando entraram no porão do navio, onde a iluminação não era a melhor, mudaram a venda no outro olho, fechando assim informações melhor percebidas anteriormente. Parece ser verdade, mas pode ser um simples conto de fadas.

No entanto, além da visão, existem outros sentimentos, incluindo a audição. Muitas vezes ouvimos dizer que as pessoas cegas ouvem melhor. Acredita-se também que a plasticidade sensorial dentro de uma modalidade * seja mais desenvolvida em crianças, no entanto, mesmo em adultos, a plasticidade cross-modal pode se desenvolver.

Modalidade * - a pertença de um determinado sinal a um determinado sistema de sensores. Existem tipos de modalidades: visual, auditiva, dolorosa, cinestésica, etc.

No caso da plasticidade cross-modal, os neurônios cerebrais são reorganizados de forma a combinar as funções de dois ou mais sistemas. Esse fenômeno geralmente ocorre no contexto da privação sensorial (deterioração) de um sistema específico devido a trauma ou doença. A reorganização neural mais pronunciada está presente em pessoas cegas ou surdas desde o nascimento. Ou seja, quanto maior a privação, mais forte é a plasticidade cross-modal.

Em outras palavras, a perda da modalidade sensorial pode ser compensada pela plasticidade em outros sentimentos. Estudos anteriores mostraram que pessoas cegas desde o nascimento percebem sinais sonoros muito melhor, a localização de suas fontes (localização de sons) e as características de frequência. Obviamente, essas alterações são mais desenvolvidas nos casos de defeitos sensoriais congênitos. No entanto, mesmo em adultos de várias espécies, a plasticidade sensorial e multimodal pode se desenvolver devido a mudanças ambientais.

Por exemplo, curtos períodos de privação visual em roedores no nível celular aumentam a seletividade de frequência no córtex auditivo (A1), ao mesmo tempo em que diminuem o valor do limiar e aumentam a taxa de transmissão de impulsos pelos neurônios L4 ( camada de receptor de talamor 4 ) do córtex auditivo. Mudanças semelhantes no nível celular são o resultado de mudanças nos circuitos neurais. O efeito da escuridão leva a um aumento dos sinais de entrada talâmicos em L4, conexões intracorticais ascendentes dos neurônios L4 aos neurônios L2 / 3 (camada de receptores talamáticos 2/3), bem como ao fortalecimento das ligações intralayas excitatórias e inibitórias em L2 / 3, conexões ascendentes intercalares de L4 para L2 / 3 e conexões de realimentação de L2 / 3 a L4.

No entanto, os estímulos sensoriais são convertidos em informações não por neurônios individuais, mas por seus grupos (populações). Portanto, uma mudança na conexão entre neurônios nessas populações pode ter um efeito direto na formação de informações a partir dos sinais recebidos.

Como a percepção das frequências sonoras varia entre L4 e L2 / 3, os cientistas decidiram verificar se os efeitos temporários da escuridão em indivíduos em idade madura podem reestruturar os neurônios e sua conexão entre si no córtex auditivo do cérebro de ratos de laboratório. A imagem de cálcio com dois fótons (Ca ²⁺ ) foi usada para observar o processo de alterações no cérebro. A atividade induzida pelo som dos neurônios L2 / 3 e L4 foi medida, mostrando a presença de maior seletividade de frequência.


Imagem nº 1: imagem de cálcio com dois fótons (Ca ²⁺ ) de neurônios em A1 em camundongos.

Os ratos experimentais foram ratos de laboratório, que foram divididos aleatoriamente em dois grupos: controle (vivia sob iluminação normal, 9 indivíduos) e teste (vivia no escuro, 6 indivíduos). Permanecer no escuro (DE - exposição ao escuro) teve vida relativamente curta - 1 semana ( 1A ).


Tabela 1: as imagens de cálcio nos permitiram obter uma imagem da atividade de centenas de neurônios em cada uma das camadas do córtex auditivo.

Os cientistas também observam que estudos anteriores mostraram que a DE não causa alterações nas propriedades da permeabilidade celular interna ( 1C ). Isso é extremamente importante porque o indicador de cálcio GCaMP6 ( 1V ) foi usado durante a geração de imagens.

Para caracterizar a atividade de neurônios individuais em camundongos dos grupos controle e teste, um gráfico de 300 × 300 μm foi visualizado nas camadas L2 / 3 e L4 no momento da exposição sonora (tom puro) de 4 a 64 kHz, 60 dB ( 1D ). Primeiro, as células que responderam a esses estímulos foram identificadas. Uma célula que pelo menos de alguma forma reagiu é classificada como "responsiva". Após a exposição à escuridão, a proporção de células que reagem em L4 não mudou, mas em L2 / 3 menos células responderam ao estímulo ( 1E ), que indica esparsificação (um aumento nos intervalos entre algo) de respostas corticais nas camadas granulares.

O registro de unidades individuais * mostrou que as células L4 em camundongos do grupo de teste têm uma maior frequência de neurônios espontânea e induzida pelo escuro (atividade neuronal).

Registro de unidades individuais * - um método de medir a reação eletrofisiológica de um neurônio individual usando um microeletrodo.

Foi ainda decidido descobrir se alterações semelhantes estão presentes no nível de células individuais na camada L2 / 3. A fim de avaliar a atividade espontânea dos neurônios (SD) que expressam GCaMP6s de camundongo, foram medidos processos transitórios de fluorescência que precederam o início do estímulo e durante imagens prolongadas sem estímulo.

Depois de permanecer no escuro, a atividade espontânea dos neurônios aumentou tanto em L4 quanto em L2 / 3 ( 1F ).

Uma diminuição na sensibilidade tonal pode estar associada a uma alteração no ajuste da frequência dos neurônios no córtex auditivo. Registros anteriores de microeletrodos mostraram que as células L4 em camundongos do grupo de teste têm maior seletividade de frequência e, como L2 / 3 recebe entrada de L4, as mesmas alterações podem estar presentes em L2 / 3. Em seguida, foram criadas curvas de sintonia para cada célula responsiva, com base na resposta máxima causada pela reprodução de sons ( 2A ).


Imagem nº 2: permanecer no escuro aumenta a sensibilidade e a seletividade de frequência dos neurônios em L4 e L2 / 3.

Primeiro, a amplitude das respostas evocadas foi medida na melhor frequência (BF, isto é, frequência de pico na curva). A amplitude da resposta após a exposição à escuridão aumentou tanto nos neurônios L4 quanto nos neurônios L2 / 3; no entanto, foi no L4 que foi maior ( 2B ). Esta observação é totalmente consistente com os registros eletrofisiológicos e um aumento dos aferentes talamocorticais * para L4.

Ressonância talamocortical * - fenômeno de oscilação síncrona (ativação simultânea periódica de populações individuais de neurônios) de neurônios de vários núcleos do tálamo e áreas relacionadas do córtex cerebral.

Afferent * é um neurônio que transmite impulsos dos receptores para o cérebro ou medula espinhal.

Em seguida, avaliamos a seletividade de frequência de células em camundongos dos grupos de teste e controle. A análise mostrou que a largura de banda dos neurônios L4 e L2 / 3 após a exposição à escuridão era menor do que nos animais do grupo controle ( 2C ).

A totalidade dessas observações sugere que, no nível de uma célula individual, as mudanças após o escuro são as mesmas em L4 e L2 / 3, exceto que as amplitudes de resposta em L4 aumentam após o escuro, mas não em L2 / 3.

Portanto, após um certo tempo, a exposição à escuridão pode levar a alterações nas respostas induzidas pelo som dos neurônios do córtex auditivo, tanto em L4 quanto em L2 / 3. Mas em L4, essas mudanças ainda serão mais significativas do que em L2 / 3. Embora menos células tenham reagido aos sons após a exposição à escuridão, as que responderam em A1 se tornaram mais sensíveis e seletivas ao som. Em outras palavras, no escuro, os neurônios do córtex auditivo agem segundo o princípio da "qualidade, não quantidade", uma vez que o número de células responsivas diminui, mas sua atividade aumenta.


Imagem 3: a exposição à escuridão altera a distribuição da seletividade de frequência no córtex auditivo.

Os dados de observação mostram que as células sensíveis ao tônus ​​no córtex auditivo L4 mostram uma maior amplitude de respostas, e as células nas duas camadas A1 apresentaram maior seletividade sonora após exposição à escuridão. No entanto, essas alterações no nível das células individuais não explicam por que, após a exposição à escuridão, há menos neurônios reagindo em L2 / 3. Os neurônios nas camadas corticais sensoriais podem ajustar sua sintonia com base em fatores comportamentais. Além disso, a experiência sensorial precoce pode alterar a área do córtex auditivo, que responde a sons de uma certa frequência. Com base nessas informações, os cientistas sugeriram que as populações neurais individuais mudavam suas preferências por estímulos externos.

Para testar esta hipótese, os cientistas estudaram a distribuição de frequências preferidas para populações de neurônios em camundongos dos grupos de teste e controle.

Os ratos do grupo de controle “preferiram” as frequências na faixa de 4 a 64 kHz, enquanto a maioria dos neurônios preferia sons na faixa de 8 a 32 kHz. Mas os ratos do grupo de teste reagiram mais ativamente a altas frequências na faixa de 32 a 64 kHz ( 3B ).

Observou-se um aumento no número de células mais responsivas a altas frequências (32-64 kHz) na camada L2 / 3 e inferiores (4-8 kHz) na camada L4. Em ambas as camadas, foi observada uma diminuição na percepção de frequências médias na faixa de 8 a 16 kHz ( 3A ).

Como você sabe, os estímulos sensoriais são codificados não apenas por neurônios individuais, mas também por populações de neurônios. A correlação de atividade entre os neurônios, por sua vez, contribui para o processo de codificação da informação. Tanto em L4 como em L2 / 3, as células adjacentes exibem uma alta correlação de sinais (SC), que refletem a atividade correlacionada impulsionada pelo estímulo. Também existem correlações de pares (NC), que representam covariância independente de estímulo entre experimentos.

Os cientistas sugeriram que melhorar as ligações intercalares funcionais e intra-laminares após a exposição à escuridão pode levar a uma diminuição na correlação de pares. Portanto, a NC nos permitirá estudar mudanças no nível de atividade correlacionada entre os neurônios em L4 e L2 / 3 após a exposição à escuridão.


Imagem n.º 4: NC diminui na camada L4 devido ao efeito da escuridão.

O efeito da escuridão levou a uma diminuição da NC e SC entre as células da camada L4. No entanto, na camada L2 / 3, as CNs permaneceram praticamente inalteradas ( 5A ).


Imagem nº 5: Redução de NC na camada L2 / 3 devido ao efeito da escuridão.

A escuridão levou a uma diminuição da SC entre os neurônios em L2 / 3 ( 5B ). Daqui resulta que a escuridão muda não apenas as configurações dos neurônios individuais, mas também a interconexão entre elas na camada L2 / 3 e na L4.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

Os ratos que permaneceram no escuro por uma semana mostraram uma atividade neuronal completamente diferente dos ratos que viviam sob iluminação normal. Os neurônios do córtex auditivo dos camundongos do grupo de teste se reconfiguraram e as conexões entre si para uma percepção mais precisa das frequências altas e baixas, sacrificando a percepção dos médios. Os próprios cientistas ainda não podem explicar com precisão essa seletividade. Eles sugerem que isso pode ser devido ao que exatamente os ratos queriam ouvir melhor: seus passos, sons de outros ratos etc.

É importante notar que os ratos experimentais eram saudáveis, isto é, a visão deles era absolutamente normal desde o nascimento. Supunha-se anteriormente que tais mudanças na atividade neural têm maior probabilidade de ocorrer exclusivamente naqueles que, desde o nascimento (ou desde tenra idade), sofrem de algum tipo de disfunção sensorial. No entanto, como se viu, até o cérebro adulto pode mudar, adaptando-se às condições ambientais.

No futuro, os cientistas planejam expandir suas pesquisas adicionando manipulação dos sons que os ratos ouvirão. Isso permitirá que você determine com mais precisão exatamente quais sons e até que ponto os ratos reagem no escuro.

Este estudo não apenas satisfaz a curiosidade banal dos cientistas, mas também pode ser extremamente útil para pessoas com deficiência auditiva. Em particular, este trabalho pode simplificar o processo de adaptação dos deficientes auditivos a aparelhos auditivos e implantes cocleares.

A estrutura, que consiste em bilhões de blocos capazes de atuar separadamente um do outro e juntos, não pode ser totalmente descrita e explicada em um estudo. Nosso cérebro é um sistema assim. Ao mesmo tempo, a cada nova pesquisa, aprenderemos informações cada vez mais valiosas sobre nosso órgão mais importante, cujo mistério é comparável às extensões desconhecidas do universo.



Obrigado por assistir, fique curioso e tenha um ótimo final de semana a todos, pessoal. :)

Um pouco de publicidade :)

Obrigado por ficar conosco. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando aos seus amigos o VPS baseado em nuvem para desenvolvedores a partir de US $ 4,99 , um analógico exclusivo de servidores básicos que foi inventado por nós para você: Toda a verdade sobre o VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 núcleos) 10 GB DDR4 480 GB SSD 1 Gbps de US $ 19 ou como dividir o servidor? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 vezes mais barato no data center Equinix Tier IV em Amsterdã? Somente temos 2 TVs Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV a partir de US $ 199 na Holanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US $ 99! Leia sobre Como criar um prédio de infraestrutura. classe usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 custando 9.000 euros por um centavo?