20 Novembro 2023
Sempre se pensou que a aprendizagem associativa era regulada pelo córtex do cerebelo, muitas vezes referido como o “pequeno cérebro”. No entanto, novos estudos resultantes de uma colaboração entre o Netherlands Institute for Neuroscience, o Erasmus MC e a Fundação Champalimaud revelam que afinal os núcleos do cerebelo contribuem de forma surpreendente para este processo de aprendizagem.
Se uma chávena de chá estiver a fumegar vamos esperar um pouco mais antes de a beber. E se os nossos dedos ficarem presos numa porta, da próxima teremos mais cuidado. Estas são formas de aprendizagem associativa, onde uma experiência positiva ou negativa leva a um comportamento de aprendizagem. Sabemos que o cerebelo é importante nesta forma de aprendizagem. Mas como é que isto funciona exatamente?
Para investigar esta questão, uma equipa internacional de investigadores na Holanda e em Portugal, composta por Robin Broersen, Catarina Albergaria, Daniela Carulli e com Megan Carey, Cathrin Canto e Chris de Zeeuw enquanto autores seniores, analisou o cerebelo de ratinhos. Os investigadores treinaram os animais com dois estímulos diferentes: um breve flash de luz, seguido por um sopro de ar no olho. Ao longo do tempo, os ratinhos aprenderam a associar os dois estímulos, levando-os a fechar os olhos preventivamente ao verem o flash de luz. Este paradigma comportamental é usado há muitos anos como forma de explorar o funcionamento do cerebelo.
Se olharmos para a estrutura do cerebelo, distinguimos duas partes principais: o córtex cerebelar, ou a camada externa do cerebelo, e os núcleos cerebelares, a parte interna. Estas partes estão interligadas. Os núcleos são grupos de células cerebrais que recebem todo tipo de informação do córtex que, por sua vez, têm conexões com outras áreas do cérebro capazes de controlar diretamente os músculos, incluindo a pálpebra. Assim, os núcleos são essencialmente o centro de output do cerebelo.
Segundo Robin Broersen: 'Há muito que o córtex cerebelar é considerado o principal responsável pela aprendizagem do reflexo e pelo timing do fecho da pálpebra. Com este estudo, mostramos que fechar a pálpebra no momento mais oportuno também pode ser regulado pelos núcleos cerebelares. As equipas estavam a trabalhar em questões científicas semelhantes e quando percebemos a sinergia entre os nossos estudos, decidimos iniciar uma colaboração internacional que resultou no presente artigo.’
O cerebelo é influenciado por outras regiões do cérebro através de diferentes conexões, as chamadas fibras musgosas e as fibras trepadeiras. Na experiência acima descrita, pensa-se que, enquanto as fibras musgosas transportam a informação da luz, as fibras trepadeiras transmitem informação relacionada com o sopro de ar. Esta informação converge depois no córtex e nos núcleos do cerebelo. A equipa neerlandesa investigou o efeito da aprendizagem associativa nestas ligações aos núcleos e descobriu que as fibras musgosas tinham criado ligações mais fortes aos núcleos nos ratinhos que apresentavam aprendizagem associativa.
Entretanto, a equipa portuguesa testou a capacidade de aprendizagem dos núcleos cerebelares através da optogenética – um método que utiliza luz para controlar a atividade dos neurórios. Catarina Albergaria: ‘Em vez de usar um flash de luz normal para treinar animais, estimulámos diretamente as conexões cerebrais, ao mesmo tempo que a combinamos com um sopro de ar nos olhos. Isto fez com que os ratinhos fechassem as pálpebras no momento certo, demonstrando que os núcleos cerebelares podem suportar a aprendizagem deste comportamento. Para garantir que esta aprendizagem estava realmente a acontecer nos núcleos, repetimos as experiências em ratinhos cujo córtex cerebelar havia sido inativado”.
Cathrin Canto acrescenta: 'Durante a aprendizagem, as conexões entre as células cerebrais mudam. Ainda assim, não era claro onde é que estas mudanças estavam a ocorrer no cerebelo. Olhamos para o que acontece com os inputs dos núcleos cerebelares, provenientes das fibras musgosas e outros inputs durante a aprendizagem e descobrimos que nos ratinhos que aprenderam - mas não nos que não aprenderam - as conexões das fibras musgosas com os núcleos tornaram-se mais fortes."
Canto continua: ‘Também observamos o que acontece dentro da célula, através de medições elétricas realizadas dentro das células nucleares de um ratinho. Como é fácil de imaginar, estas células são muito pequenas, têm cerca de 10 a 20 µm. Isto é menor do que o diâmetro de um fio de cabelo humano. Usando um tubo ultra-fino com um elétrodo, conseguimos registar a atividade elétrica dentro das células enquanto o ratinho executava a tarefa, o que foi um enorme desafio técnico.”
“Em animais treinados, a exposição à luz fez com que a atividade elétrica dentro das células do núcleo fosse alterada: as células tornaram-se mais ativas quanto mais próximo, em termos de tempo, chegava o sopro de ar. Essencialmente, as células estavam preparadas para o que estava por acontecer e podiam, portanto, ter a sua atividade elétrica precisa o suficiente para controlar a pálpebra antes mesmo do sopro ocorrer.’
Broersen faz notar que: 'Embora esta investigação tenha sido realizada em ratinhos, a anatomia geral do cerebelo é semelhante entre ratinhos e humanos. Ainda que os humanos tenham muito mais células, esperamos que as conexões entre as células sejam organizadas da mesma maneira. Os nossos resultados contribuem para uma melhor compreensão de como funciona o cerebelo e o que acontece durante o processo de aprendizagem. Isto também leva a mais conhecimento sobre como danos no cerebelo afetam o seu funcionamento, o que pode ajudar doentes no futuro. A ativação das conexões estabelecidas com os núcleos, via estimulação cerebral profunda, poderá vir a tornar possível a aprendizagem de novas habilidades motoras”.
Megan Carey conclui, "O que torna este estudo único é a convergência de resultados de técnicas anatómicas, fisiológicas e optogenéticas. É notável como múltiplas linhas paralelas de evidências, provenientes de diferentes equipas, convergiram para revelar uma imagem completa daquilo que está a acontecer."
Uma interpretação artística da investigação. As algas brilhantes representam fibras musgosas – conexões cerebrais que interagem com o peixe-balão, simbolizando as células do núcleo cerebelar que respondem de forma variável aos estímulos. Os padrões da madeira do barco acima sugerem a estrutura do córtex cerebelar, ligado às profundezas pela linha de uma âncora, que retrata a ligação entre o córtex e os núcleos. | Criado por Rita Félix
Nature Communications
