Os cientistas sabem há muito tempo que o sistema visual do cérebro não é totalmente programado desde o início — ele é refinado pelo que os bebês veem —, mas os autores de um novo estudo do MIT ainda não estavam preparados para o grau de reconfiguração que observaram quando observaram pela primeira vez o processo em camundongos, conforme acontecia em tempo real.

Ao rastrear centenas de estruturas de "espinhos" que abrigam conexões de rede individuais, ou "sinapses", nos ramos dendritos de neurônios no córtex visual ao longo de 10 dias, os pesquisadores do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória observaram que apenas 40% dos neurônios que iniciaram o processo sobreviveram. O refinamento da visão binocular (integrando informações de ambos os olhos) exigiu inúmeras adições e remoções de espinhos ao longo dos dendritos para estabelecer um conjunto eventual de conexões.

A ex-aluna de pós-graduação Katya Tsimring liderou o estudo, publicado este mês na Nature Communications , que a equipe diz ser o primeiro em que cientistas rastrearam as mesmas conexões durante todo o "período crítico", quando a visão binocular se torna refinada.

“O que Katya conseguiu fazer foi visualizar os mesmos dendritos nos mesmos neurônios repetidamente ao longo de 10 dias no mesmo camundongo vivo durante um período crítico de desenvolvimento, para perguntar: o que acontece com as sinapses ou espinhos neles?”, diz a autora sênior Mriganka Sur , professora Paul e Lilah Newton no Instituto Picower e no Departamento de Ciências do Cérebro e Cognitivas do MIT. “Ficamos surpresos com a quantidade de mudanças que ocorrem.”

Nos experimentos, camundongos jovens observaram grades pretas e brancas com linhas de orientações e direções de movimento específicas se deslocarem por seu campo de visão. Ao mesmo tempo, os cientistas observaram tanto a estrutura quanto a atividade do corpo principal dos neurônios (ou "soma") e das espinhas ao longo de seus dendritos. Ao rastrear a estrutura de 793 espinhas dendríticas em 14 neurônios aproximadamente no Dia 1, Dia 5 e Dia 10 do período crítico, eles puderam quantificar a adição e a perda das espinhas e, portanto, as conexões sinápticas que elas abrigavam. E, ao rastrear sua atividade ao mesmo tempo, eles puderam quantificar a informação visual que os neurônios recebiam em cada conexão sináptica. Por exemplo, uma espinha pode responder a uma orientação ou direção específica da grade, a várias orientações, ou pode não responder de forma alguma. Finalmente, ao relacionar as mudanças estruturais de uma espinha ao longo do período crítico à sua atividade, eles buscaram desvendar o processo pelo qual a renovação sináptica refinou a visão binocular.

Estruturalmente, os pesquisadores observaram que 32% dos espinhos aparentes no Dia 1 haviam desaparecido no Dia 5, e que 24% dos espinhos aparentes no Dia 5 haviam sido adicionados desde o Dia 1. O período entre o Dia 5 e o Dia 10 apresentou uma rotatividade semelhante: 27% foram eliminados, mas 24% foram adicionados. No geral, apenas 40% dos espinhos observados no Dia 1 ainda estavam presentes no Dia 10.

Enquanto isso, apenas quatro dos 13 neurônios que eles estavam rastreando e que respondiam a estímulos visuais ainda respondiam no 10º dia. Os cientistas não sabem ao certo por que os outros nove pararam de responder, pelo menos aos estímulos aos quais respondiam antes, mas é provável que agora eles desempenhassem uma função diferente.

Depois de observar essa extensa fiação e religação, os cientistas perguntaram o que dava a alguns espinhos o direito de sobreviver durante o período crítico de 10 dias.

Estudos anteriores demonstraram que as primeiras entradas a atingir os neurônios do córtex visual binocular vêm do olho "contralateral", no lado oposto da cabeça (portanto, no hemisfério esquerdo, as entradas do olho direito chegam primeiro), afirma Sur. Essas entradas levam o soma de um neurônio a responder a propriedades visuais específicas, como a orientação de uma linha — por exemplo, uma diagonal de 45 graus. Quando o período crítico começa, as entradas do olho "ipsilateral", no mesmo lado da cabeça, começam a se juntar à corrida para os neurônios do córtex visual, permitindo que alguns se tornem binoculares.

Não é por acaso que muitos neurônios do córtex visual são sintonizados em linhas de diferentes direções no campo de visão, diz Sur.

Como os pesquisadores estavam monitorando a atividade nos espinhos, eles puderam ver com que frequência eles estavam ativos e qual orientação desencadeava essa atividade. À medida que os dados se acumulavam, eles observaram que os espinhos tinham maior probabilidade de sobreviver se (a) fossem mais ativos e (b) respondessem à mesma orientação preferida pelo soma. Notavelmente, os espinhos que respondiam a ambos os olhos eram mais ativos do que os que respondiam a apenas um, o que significa que os espinhos binoculares tinham maior probabilidade de sobreviver do que os não binoculares.

“Essa observação fornece evidências convincentes para a hipótese de 'use-o ou perca-o'”, diz Tsimring. “Quanto mais ativa uma espinha, maior a probabilidade de ser preservada durante o desenvolvimento.”

Os pesquisadores também notaram outra tendência. Ao longo dos 10 dias, surgiram aglomerados ao longo dos dendritos nos quais espinhos vizinhos tinham cada vez mais probabilidade de estar ativos simultaneamente. Outros estudos demonstraram que, ao se agruparem, os espinhos conseguem combinar sua atividade para serem maiores do que seriam isolados.

Por meio dessas regras, ao longo do período crítico, os neurônios aparentemente refinaram seu papel na visão binocular, retendo seletivamente estímulos que reforçavam suas preferências de orientação em desenvolvimento, tanto por meio de seu volume de atividade (uma propriedade sináptica chamada "plasticidade hebbiana") quanto por sua correlação com seus vizinhos (uma propriedade chamada "plasticidade heterossináptica"). Para confirmar que essas regras eram suficientes para produzir os resultados observados no microscópio, eles construíram um modelo computacional de um neurônio, e de fato o modelo recapitulou as mesmas tendências observadas nos camundongos.

“Ambos os mecanismos são necessários durante o período crítico para impulsionar a rotação dos espinhos que estão desalinhados com o soma e com os pares de espinhos vizinhos”, escreveram os pesquisadores, “o que, em última análise, leva ao refinamento das respostas [binoculares], como a correspondência de orientação entre os dois olhos”.

Além de Tsimring e Sur, os outros autores do artigo são Kyle Jenks, Claudia Cusseddu, Greggory Heller, Jacque Pak Kan Ip e Julijana Gjorgjieva. As fontes de financiamento para a pesquisa vieram dos Institutos Nacionais de Saúde, do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória e da Fundação Freedom Together.