Mesmo no córtex visual primário, uma região do cérebro assim chamada por sua função especializada no processamento de características básicas do que os olhos veem, nem todos os neurônios acabam respondendo ao chamado para processar as propriedades da entrada visual. Talvez isso aconteça porque cada neurônio recebe uma grande variedade de entradas por meio de milhares de conexões de circuitos, ou “sinapses”, e precisa optar por responder à informação visual em vez de outra coisa. Em um novo estudo com camundongos, neurocientistas do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória do MIT revelam como os neurônios que realizam o processamento visual organizam essa entrada para que a tarefa seja concluída.

Os neurocientistas estão extremamente interessados em saber quais estímulos, dentre tantas opções, levarão os neurônios a participar dos cálculos e funções cerebrais, afirma a autora sênior Mriganka Sur , professora Newton de Neurociência no Instituto Picower e no Departamento de Ciências Cerebrais e Cognitivas do MIT. Os neurônios participam dos circuitos cerebrais ao "dispararem" um potencial de ação elétrico.

“A configuração das entradas, o tipo de organização, o conjunto de neurônios que se modulam mutuamente para gerar um potencial de ação é a essência de como os circuitos cerebrais processam informações”, diz Sur. “Essas células (do córtex visual) são um microcosmo desse panorama profundo e abrangente da neurociência.”

No estudo de acesso aberto publicado na iScience ,  liderado pelo pós-doutorando Kyle Jenks, a equipe de pesquisa chegou às suas conclusões por meio de imagens meticulosas de como não apenas os corpos celulares dos neurônios, mas também suas sinapses individuais, formadas em protrusões conhecidas como espículas dendríticas, respondiam à observação de imagens em movimento por camundongos. Eles realizaram esse monitoramento não apenas em neurônios visualmente responsivos, mas também em neurônios não responsivos que, no entanto, possuem espículas visualmente responsivas. Isso permitiu analisar diversas propriedades importantes que podem influenciar a formação de uma sinapse específica e como ela influencia as respostas no corpo celular.

“Este estudo reúne muitas coisas que foram analisadas isoladamente e as examina em um único artigo coletivo”, diz Jenks. “Podemos comparar como o neurônio e as espículas desse neurônio respondem aos mesmos estímulos, e podemos fazer isso tanto para neurônios visualmente responsivos quanto para aqueles que não respondem.”

Na camada 2/3 do córtex visual, Jenks e sua equipe modificaram geneticamente os neurônios para que suas espinhas dendríticas individuais brilhassem quando picos de cálcio indicassem aumento da atividade das sinapses nessas espinhas. Os cientistas fizeram o mesmo com o corpo celular, ou "soma", para monitorar como a célula respondia e até mesmo sinalizar suas respostas gerais de volta para as sinapses. Dessa forma, enquanto os camundongos observavam grades em preto e branco em ângulos variados passando por seus olhos em diferentes direções, os cientistas podiam monitorar a resposta geral de cada espinha e de cada célula àquela entrada visual padronizada.

Ao todo, eles rastrearam 11 neurônios que respondiam ao estímulo visual e outros 11 que aparentemente o ignoravam. Isso permitiu que eles descobrissem várias regras:

A distância do soma importa: em células que respondiam a estímulos visuais, as respostas de espículas individuais tinham muito mais probabilidade de se correlacionar com a atividade do soma quanto mais próxima a espícula estivesse do soma. Da mesma forma, o sinal do soma de volta para as espículas, que se acredita influenciar o alinhamento das espículas com as preferências do soma, tinha maior probabilidade de ser detectado mais próximo do soma do que mais distante. 

Agrupamento local:  Em neurônios que respondiam a estímulos visuais, as espículas formavam pequenos enclaves distintos de respostas correlacionadas entre si. Especificamente, espículas a uma distância de até 5 micrômetros (cinco milionésimos de metro) agiam em conjunto. Mas, logo além desse limite de 5 micrômetros, a probabilidade de as espículas participarem dessa atividade era menor do que o esperado pelo acaso. Sur especula que esses focos isolados de atividade intensificavam a resposta de cada enclave.

“Apical” versus “basal”:  Os neurônios estudados pela equipe possuem dois tipos distintos de dendritos. Os dendritos apicais, que são muito longos e se projetam do topo, ou “ápice”, do neurônio, tendem a receber uma grande variedade de informações de todo o córtex. Os dendritos basais, que são mais curtos e se estendem da base, normalmente recebem mais informações visuais. Embora os dendritos basais de fato recebam mais informações visuais do que os dendritos apicais no geral, Jenks descobriu que os dendritos apicais em neurônios visualmente responsivos tinham significativamente mais espículas visualmente responsivas do que aqueles em neurônios não responsivos. E ambos os tipos de dendritos obedeceram igualmente às regras acima sobre a distância do soma.

A seletividade de orientação é o fator mais importante : Jenks, Sur e sua equipe usaram modelagem estatística para determinar qual dos muitos fatores (a seletividade do estímulo, a confiabilidade da resposta, a distância da espinha dendrítica ao soma, apical versus basal, etc.) melhor explicava a correlação entre a responsividade da espinha e a do soma. De longe, a seletividade da espinha em relação à orientação de sua grade preferida foi o fator isolado mais importante.

As descobertas da equipe podem ajudar a avançar os estudos da visão no cérebro de diversas maneiras, afirmam Jenks e Sur. Certas mutações genéticas que afetam a forma como os neurônios se conectam nos circuitos podem afetar os neurônios do córtex visual e a visão, explica Sur. Documentar essas regras fornece aos pesquisadores uma base de comparação ao examinar os efeitos de tais mutações. Jenks acrescenta que as descobertas podem contribuir para os esforços de modelagem de como os neurônios integram as entradas sinápticas em seus cálculos.

Além de Sur e Jenks, os outros autores do artigo são Gregg Heller, Katya Tsimring, Kendyll Martin, Asrah Rizvi e Jacque Pak Kan Ip.

Os Institutos Nacionais de Saúde (NIH), a Iniciativa de Pesquisa sobre Autismo da Fundação Simons e a Fundação Freedom Together forneceram apoio para o estudo.