As células do lugar, algo como o nosso cérebro GPS

Março 31, 2024

Orientação e exploração em espaços novos ou desconhecidos é uma das faculdades cognitivas que usamos com mais frequência. Nós o usamos para nos guiar em nossa casa, nosso bairro, para ir trabalhar.

Nós também dependemos disso quando viajamos para uma cidade nova e desconhecida para nós. Nós o usamos mesmo quando dirigimos e, possivelmente, o leitor terá sido vítima de um descuido em sua orientação ou na de um companheiro, o que o terá condenado a se perder, sendo forçado a se virar com o carro até que ele com a rota apropriada.

Não é culpa da orientação, é culpa do hipocampo

Todas estas são situações que muitas vezes nos frustram e nos levam a amaldiçoar nossa orientação ou a dos outros com insultos, gritos e vários comportamentos. Bem, porque hoje vou dar uma pincelada nos mecanismos neurofisiológicos de orientação , em nosso GPS do cérebro para nos entender

Começaremos sendo específicos: não devemos amaldiçoar a orientação, pois ela é apenas um produto de nossa atividade neural em regiões específicas. Portanto, começaremos amaldiçoando nosso hipocampo.

O hipocampo como estrutura cerebral

Evolutivamente, o hipocampo é uma estrutura antiga, faz parte da arquicultura, ou seja, aquelas estruturas que são filogeneticamente mais velhas em nossa espécie. Anatomicamente, faz parte do sistema límbico, no qual outras estruturas, como a amígdala, também são encontradas. O Sistema Límbico é considerado o substrato morfológico da memória, emoções, aprendizado e motivação.

O leitor possivelmente se está acostumado com a psicologia saberá que o hipocampo é uma estrutura necessária para a consolidação de memórias declarativas, ou seja, com aquelas memórias com conteúdo episódico sobre nossas experiências ou então, semântico (Nadel e O'Keefe, 1972) .

Prova disso são os abundantes estudos que existem sobre o caso popular do "paciente HM", um paciente cujos hemisférios temporais haviam sido removidos, produzindo uma amnésia anterógrada devastadora, ou seja, ele não conseguia memorizar novos fatos, embora retivesse a maior parte dos casos. de suas memórias de antes da operação. Para aqueles que querem se aprofundar neste caso, eu recomendo os estudos de Scoville e Millner (1957), que estudaram exaustivamente o paciente HM.

The Place Cells: o que são eles?

Até agora não dizemos nada de novo, nem nada de surpreendente. Mas foi em 1971 quando por acaso se descobriu um fato que gerou o início do estudo dos sistemas de navegação no cérebro. O'keefe e John Dostrovski, usando eletrodos intracranianos, pode registrar a atividade de neurônios específicos do hipocampo em ratos . Isso oferecia a possibilidade de que, durante a realização de diferentes testes comportamentais, o animal estivesse acordado, consciente e em movimento livre.

O que eles não esperavam descobrir era que havia neurônios que respondiam seletivamente dependendo da área em que o rato estava. Não é que houvesse neurônios específicos para cada posição (não há neurônio para seu banheiro, por exemplo), mas que eles foram observados na célula CA1 (uma região específica do hipocampo) que marcava pontos de referência que poderiam ser adaptados a diferentes espaços. .

Essas células foram chamadas colocar células. Portanto, não é que exista um neurônio de lugar para cada espaço específico que você frequenta, mas, ao contrário, eles são pontos de referência que o relacionam ao seu ambiente; É assim que sistemas de navegação egocêntricos são formados. Os neurônios de lugar também formarão sistemas de navegação alocêntricos que relacionarão elementos do espaço entre eles.

Programação inata vs. experiência

Essa descoberta deixou perplexos muitos neurocientistas que consideravam o hipocampo como uma estrutura de aprendizagem declarativa e agora viam como ele era capaz de codificar informações espaciais. Isso deu origem à hipótese do "mapa cognitivo" que postularia que uma representação do nosso ambiente seria gerada no hipocampo.

Assim como o cérebro é um excelente gerador de mapas para outras modalidades sensoriais, como a codificação de sinais visuais, auditivos e somatossensoriais; não é irracional pensar no hipocampo como uma estrutura que gera mapas do nosso meio ambiente e que garante nossa orientação neles .

A pesquisa foi além e colocou esse paradigma à prova em situações muito diferentes. Foi visto, por exemplo, que as células de lugar nas tarefas do labirinto disparam quando o animal comete erros ou quando está em uma posição na qual o neurônio normalmente atiraria (O'keefe e Speakman, 1987).Em tarefas nas quais o animal deve se mover através de diferentes espaços, tem sido visto que os neurônios do lugar disparam dependendo de onde o animal vem e para onde está indo (Frank et al., 2000).

Como mapas espaciais são formados

Outro dos principais focos de interesse de pesquisa neste campo tem sido sobre como esses mapas espaciais são formados. Por um lado, poderíamos pensar que as células de lugar estabelecem sua função com base na experiência que recebemos quando exploramos um ambiente, ou, podemos pensar que é um componente subjacente de nossos circuitos cerebrais, isto é, inato. A questão ainda não está clara e podemos encontrar evidências empíricas que apoiem ambas as hipóteses.

Por um lado, os experimentos de Mônaco e Abbott (2014), que registraram a atividade de um grande número de células, observaram que quando um animal é colocado em um novo ambiente passam-se vários minutos até que essas células comecem a disparar com Normalidade Assim pois, os mapas de lugar seriam expressos, de alguma forma, a partir do momento em que um animal entra em um novo ambiente , mas a experiência modificaria esses mapas no futuro.

Portanto, podemos pensar que a plasticidade cerebral está desempenhando um papel na formação de mapas espaciais. Então, se a plasticidade realmente desempenha um papel, esperamos que camundongos knockout para o receptor NMDA do neurotransmissor glutamato - isto é, ratos que não expressam este receptor - não gerem mapas espaciais porque este receptor desempenha um papel fundamental na plasticidade cerebral e aprendizagem

A plasticidade desempenha um papel importante na manutenção de mapas espaciais

No entanto, este não é o caso, e foi observado que camundongos knockout para o receptor NMDA ou camundongos que foram tratados farmacologicamente para bloquear este receptor, expressam padrões semelhantes de resposta das células em ambientes novos ou familiares. Isto sugere que a expressão de mapas espaciais é independente da plasticidade cerebral (Kentrol et al., 1998). Estes resultados suportariam a hipótese de que os sistemas de navegação são independentes da aprendizagem.

Apesar de tudo, usando a lógica, os mecanismos da plasticidade cerebral devem ser claramente necessários para a estabilidade na memória dos mapas recém-formados. E, se não fosse assim, qual seria o uso da experiência que se forma percorrendo as ruas de sua cidade? Não teríamos sempre a sensação de que é a primeira vez que entramos em nossa casa? Acredito que, como em tantas outras ocasiões, as hipóteses são mais complementares do que parecem e, de alguma forma, apesar de um funcionamento inato dessas funções, a plasticidade tem um papel a desempenhar na manutenção desses mapas espaciais na memória .

Células de rede, endereço e borda

É bastante abstrato falar sobre células locais e, possivelmente, mais de um leitor ficou surpreso que a mesma área cerebral que gera memórias nos serve, por assim dizer, GPS. Mas ainda não terminamos e o melhor ainda está por vir. Agora vamos enrolar a onda realmente. Inicialmente, pensava-se que a navegação espacial dependeria exclusivamente do hipocampo quando se via que estruturas adjacentes, como o córtex entorrinal, apresentavam ativação muito fraca em função do espaço (Frank et al., 2000).

Entretanto, nesses estudos, a atividade em áreas ventrais do córtex entorrinal foi registrada e, em estudos posteriores, foram registradas áreas dorsais com maior número de conexões com o hipocampo (Fyhn et al., 2004). Assim pois Observou-se que muitas células desta região dispararam dependendo da posição, semelhante ao hipocampo . Até agora espera-se que eles encontrem resultados, mas quando eles decidiram aumentar a área que registrariam no córtex entorrinal eles tiveram uma surpresa: entre os grupos de neurônios que foram ativados dependendo do espaço ocupado pelo animal havia aparentemente zonas silenciosas - isto é, não eram ativado-. Quando as regiões que mostraram ativação foram virtualmente unidas, os padrões foram observados na forma de hexágonos ou triângulos. Eles chamavam esses neurônios do córtex entorrinal de "células vermelhas".

Quando os glóbulos vermelhos foram descobertos, foi possível resolver a questão de como as células são formadas. Tendo as células colocado numerosas conexões das células da rede, não é irracional pensar que elas são formadas a partir delas. No entanto, mais uma vez, as coisas não são tão simples e evidências experimentais não confirmaram essa hipótese. Os padrões geométricos que formam as células da rede ainda não puderam ser interpretados.

Sistemas de navegação não são reduzidos ao hipocampo

A complexidade não termina aqui. Menos ainda quando se viu que os sistemas de navegação não são reduzidos ao hipocampo. Isso tornou possível expandir os limites da pesquisa para outras áreas do cérebro, descobrindo assim outros tipos de células relacionadas às células do lugar: Células de direção e células de borda .

As células de direção codificariam a direção na qual o sujeito se movia e ficariam localizadas no núcleo tegmentar dorsal do tronco encefálico. Por outro lado, as células de borda são células que aumentam sua taxa de disparo à medida que o indivíduo se aproxima dos limites de um dado espaço e podem ser encontradas na região específica do subículo do hipocampo. Vamos oferecer um exemplo simplificado em que tentaremos resumir a função de cada tipo de célula:

Imagine que você esteja na sala de jantar da sua casa e queira ir à cozinha. Já que você está na sala de jantar de sua casa, você terá uma cela que irá disparar enquanto você fica na sala de jantar, mas desde que você quer ir para a cozinha você também terá outra célula ativada que representa a cozinha. A ativação será clara porque sua casa é um espaço que você conhece perfeitamente e a ativação pode ser detectada tanto nas células de lugar quanto na rede de células.

Agora, comece a andar em direção à cozinha. Haverá um grupo de células de endereço específicas que agora serão acionadas e não serão alteradas, desde que você mantenha uma direção específica. Agora, imagine que para ir à cozinha você deve virar à direita e atravessar um corredor estreito. No momento em que você liga, suas células de endereço saberão disso e outro conjunto de células de endereço registrará a direção que ele agora tomou para ativar, e as anteriores serão desativadas.

Imagine também que o corredor é estreito e qualquer movimento falso pode fazer com que você bata na parede, para que suas células de borda aumentem sua taxa de disparo. Quanto mais próximo você chegar da parede do corredor, maior será a taxa de disparo que mostrará suas células de borda. Pense nas células de borda como os sensores que alguns carros novos têm e que fazem um sinal audível quando você está manobrando para estacionar. As células da borda Eles funcionam de maneira semelhante a esses sensores, quanto mais perto eles estão de colidir, mais barulho eles fazem . Quando você chega na cozinha, as células do seu lugar lhe disseram que ele chegou satisfatoriamente e, como é um ambiente mais amplo, suas células de borda vão relaxar.

Vamos complicar tudo

É curioso pensar que nosso cérebro tem maneiras de conhecer nossa posição. Mas ainda há uma questão: como reconciliamos a memória declarativa com a navegação espacial no hipocampo, ou seja, como nossas memórias influenciam esses mapas? Ou será que nossas memórias foram formadas a partir desses mapas? Para tentar responder a essa pergunta, devemos pensar um pouco mais. Outros estudos apontaram que as mesmas células que codificam o espaço, das quais já falamos, também codificam o tempo. . Assim, tem havido falar de células de tempo (Eichenbaum, 2014) que codificaria a percepção do tempo.

O surpreendente do caso é que mais e mais evidências apoiando a ideia de que as células do lugar são as mesmas que as células do tempo . Então, o mesmo neurônio usando os mesmos impulsos elétricos é capaz de codificar o espaço e o tempo. A relação entre a codificação de tempo e espaço nos mesmos potenciais de ação e sua importância na memória permanece um mistério.

Em conclusão: minha opinião pessoal

Minha opinião sobre isso? Tirando o roupão do meu cientista, posso dizer que o ser humano está acostumado a pensar na opção fácil e gostamos de pensar que o cérebro fala a mesma linguagem que nós . O problema é que o cérebro nos oferece uma versão simplificada da realidade que ele mesmo processa. De um modo semelhante às sombras da caverna de Platão. Assim, assim como na física quântica, barreiras do que entendemos como realidade são quebradas, na neurociência descobrimos que no cérebro as coisas são diferentes do mundo que conscientemente percebemos e devemos ter uma mente muito aberta que as coisas não têm por que ser como nós realmente os percebemos?

A única coisa que tenho claro é algo que Antonio Damasio está acostumado a repetir muito em seus livros: o cérebro é um ótimo gerador de mapas . Talvez o cérebro interprete o tempo e o espaço da mesma maneira para mapear nossas memórias. E se parece quimérico para você pensar que Einsten, em sua teoria da relatividade, uma das teorias que ele postulou era que o tempo não poderia ser entendido sem o espaço, e vice-versa. Indubitavelmente, desvendar esses mistérios é um desafio, ainda mais quando são aspectos difíceis de se estudar em animais.

No entanto, nenhum esforço deve ser poupado nesses problemas. Primeiro de curiosidade. Se estudarmos a expansão do universo ou as ondas gravitacionais recentemente gravadas, por que não estudamos como nosso cérebro interpreta o tempo e o espaço? E, em segundo lugar, muitas das patologias neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, apresentam desorientação espaço-temporal como primeiros sintomas.Conhecendo os mecanismos neurofisiológicos dessa codificação, pudemos descobrir novos aspectos que ajudarão a entender melhor o curso patológico dessas doenças e, quem sabe, descobrir novos alvos farmacológicos ou não farmacológicos.

Referências bibliográficas:

Eichenbaum H. 2014. Células do tempo no hipocampo: uma nova dimensão para o mapeamento de memórias. Natureza 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Codificação de trajetória no hipocampo e no córtex entorrinal. Neuron 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, MP Witter, Moser EI, Moser M-B. 2004. Representação espacial no córtex entorrinal. Ciência 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Abolição da estabilidade a longo prazo de novos mapas celulares do local do hipocampo pelo bloqueio do receptor NMDA. Science 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. 2011. Realinhamento modular da atividade das células da grade como base para o remapeamento do hipocampo. J Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, Speakman A. 1987. Atividade unitária única no hipocampo do rato durante uma tarefa de memória espacial. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Perda de memória recente após hipocample bilateral. J Neurol Neurosurg Psiquiatria 20: 11-21.