Porque bilhões de neurônios são contidos em nosso cérebro, os circuitos neuronais que são responsáveis por controlar os nossos comportamentos são necessariamente altamente misturados. Esta teia torna mais complicada para os cientistas determinarem exatamente qual dos circuitos faz o quê. Agora, utilizando duas técnicas de laboratório em que foi pioneiro, em parte, o Caltech, os pesquisadores mapearam as vias de um conjunto de neurônios responsáveis para os tipos de deficiências motoras - tais como dificuldade em andar - encontrados em pacientes com doença de Parkinson.
Desembaraçando o emaranhado dentro de nossos cérebros
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As diferentes cores representam percursos envolvendo diferentes células que instruem diversos comportamentos. Usando optogenética e desobstrução dos tecidos via PACT, os cientistas do Caltech poderiam extrair os caminhos específicos para locomoção e recompensa. Crédito: Ken Chan e Viviana Gradinaru Grupo no Caltech
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O trabalho - a partir do laboratório de Viviana Gradinaru (BS '05), professora assistente de biologia e engenharia biológica - foi publicado em 20 de abril na revista Neuron.
Em pacientes com doença de Parkinson, os distúrbios da marcha e dificuldades de equilíbrio são muitas vezes causados pela degeneração de um tipo específico de neurônios – os chamados neurónios colinérgicos - numa região do tronco cerebral chamada núcleo pedunculopontino (PPN). Os danos a essa mesma população de neurônios no PPN também estão ligados a comportamentos e transtornos baseados em recompensas, como o vício.
Anteriormente, os investigadores não tinham sido capazes de desvendar os circuitos neurais originários do PPN para compreender como ambos, os vícios e deficiências motoras de Parkinson, são modulados dentro da mesma população de células. Além disso, esta incerteza criou uma barreira para tratar esses sintomas motores. Afinal, a estimulação cerebral profunda - em que um dispositivo é inserido no cérebro para proporcionar impulsos eléctricos a uma região alvo - pode ser utilizado para corrigir a marcha e dificuldades de equilíbrio nestes pacientes, mas sem conhecer exatamente que parte do PPN que seria o alvo, o procedimento poderia levar a resultados mistos.
"Os circuitos responsáveis por controlar nossos comportamentos não estão bem alinhados, onde este lado faz locomoção e deste lado faz recompensa", diz Gradinaru, e este arranjo desordenado resulta da forma que os neurônios são estruturados. Tanto quanto uma árvore se estende até o chão com raízes longas, os neurônios são formados por um corpo celular e um axônio do tipo de uma corda longa que podem divergir e projetar em outro lugar em diferentes áreas do cérebro. Devido a esta forma, os pesquisadores perceberam que poderiam seguir as "raízes" do neurônio para uma área do cérebro menos cheia que o PPN. Isso permitiria que eles a olhassem com mais facilidade os dois comportamentos muito diferentes e como eles são implementados.
Cheng Xiao, um cientista de pesquisa sênior do Caltech e principal autor do estudo, começou mapeando as projeções dos neurônios colinérgicos no PPN de um rato usando uma técnica desenvolvida pelo laboratório Gradinaru chamado Passive CLARITY Technique, ou PACT. Nesta técnica, uma solução de produtos químicos é aplicada para o cérebro; os produtos químicos dissolvem os lípidos no tecido e tornam essa região do cérebro oticamente transparente – see-through (ver através), em outras palavras - e capaz de assumir-se marcadores fluorescentes que podem rotular diferentes tipos de neurônios. Os pesquisadores puderam então seguir o caminho dos neurônios PPN de interesse, marcados por uma proteína fluorescente, simplesmente olhando através do resto do cérebro.
Usando este método, Gradinaru e Xiao foram capazes de rastrear os axônios dos neurônios PPN como eles se estenderam em duas regiões do mesencéfalo: substantia nigra ventral, uma área de referência para a doença de Parkinson que tinha sido previamente associada com a locomoção; e a área tegmental ventral, uma região do cérebro que tinha sido previamente associada à recompensa.
Em seguida, os pesquisadores usaram uma técnica de gravação elétrica para manter o controle dos sinais enviados pelos neurônios PPN - confirmando que esses neurônios, de fato, comunicam-se com as suas estruturas a jusante associadas no mesencéfalo. Em seguida, os cientistas passaram a determinar como esta população específica de neurônios afeta o comportamento. Para fazer isso, eles usaram uma técnica que Gradinaru ajudou a desenvolver chamada optogenética, que permite que os pesquisadores manipulem atividades neurais - neste caso, por qualquer emoção ou inibir as projeções neurais PPN no mesencéfalo - usando cores diferentes de luz.
Usando a abordagem optogenética em ratos, os pesquisadores descobriram que emoção nas projeções neuronais na substantia nigra ventral iriam estimular o animal a andar em torno de seu ambiente; pelo contrário, poderiam interromper o movimento do animal inibindo estas mesmos projeções. Além disso, eles descobriram que poderiam estimular o comportamento de busca de recompensa por emoções nas projeções neuronais na área tegmental ventral, mas poderiam causar um comportamento aversivo inibindo essas projeções.
"Nossos resultados mostram que os neurônios colinérgicos do PPN de fato tem um papel no controle de ambos os comportamentos", diz Gradinaru. "Embora os neurônios sejam muito densamente embalados e misturados, estas vias são, em certa medida, dedicadas a comportamentos muito especializados." Determinar quais caminhos estão associados com tais comportamentos podem também melhorar tratamentos futuros, acrescenta.
"No passado, tinha sido difícil direcionar o tratamento para o PPN, porque os neurônios específicos associados a comportamentos diferentes são misturados na fonte – PPN. Nossos resultados mostram que você pode segmentar as projeções axoniais na substância negra para distúrbios do movimento e projeções na área tegmental ventral para distúrbios de recompensa, como é o vício", diz Gradinaru. Além disso, ela observa, essas projeções no mesencéfalo são muito mais fáceis de acessar cirurgicamente do que a sua origem no PPN.
Embora esta nova informação possa informar tratamentos clínicos para a doença de Parkinson, o PPN é apenas uma região do cérebro e há muitos exemplos mais importantes de conectividade que precisam ser explorados, diz Gradinaru. "Estes resultados destacam a necessidade de mapas funcionais e anatômicos de todo o cerebro dessas projeções neuronais de longo alcance; nós mostramos que as tecnologias de compensação de tecidos e a optogenética estão permitindo na criação desses mapas." Original em inglês, tradução Google, revisão Hugo. Fonte: Medical News Today.
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