Células chamadas astrócitos são tão abundantes no cérebro quanto os neurônios, mas os cientistas dedicaram muito menos tempo a descobrir como elas contribuem para as funções cerebrais. Um estudo inédito realizado por pesquisadores do MIT no Instituto Picower para Aprendizagem e Memória mostra que uma função parece ser a manutenção das condições químicas necessárias para que grupos de neurônios se unam para codificar informações.

Especificamente, os neurocientistas mostraram que quando eles eliminaram a capacidade dos astrócitos no córtex visual de camundongos de produzir uma proteína chamada "transportador GABA 3 (Gat3)", os neurônios ali se tornaram menos capazes, como um grupo, de representar informações sobre os filmes que os camundongos de laboratório estavam assistindo. O GABA é um neurotransmissor inibitório comum que aguça a atividade neural, e os astrócitos usam exclusivamente o Gat3 para regular o nível ambiental de GABA em sua área. No estudo em eLife , eliminar o Gat3 no córtex visual deixou os neurônios cozinhando em uma sopa de excesso de GABA que produziu apenas efeitos sutis em neurônios individuais, mas, no entanto, somou-se a um comprometimento significativo em seus esforços como um conjunto responsável pela função visual.

“Mesmo que as mudanças no nível de um único neurônio representando um estímulo visual não se alterem significativamente, se cem neurônios apresentarem pequenas alterações, isso pode resultar em uma mudança mensurável e significativa no nível populacional”, afirma a autora sênior Mriganka Sur , professora Paul e Lilah Newton no Instituto Picower e no Departamento de Ciências do Cérebro e Cognitivas (BCS) do MIT. Notavelmente, os autores escreveram no eLife que este é o primeiro estudo em camundongos vivos de Gat3 em escalas que abrangem células individuais e conjuntos funcionais de centenas delas.

Para fazer a descoberta, a estudante de pós-graduação da BCS, Jiho Park, usou uma nova implementação da edição genética CRISPR/Cas9 para eliminar Gat3, combinada com análises estatísticas e computacionais da atividade neural no nível populacional, diz Sur.

À medida que os neurocientistas estudam o sistema visual do cérebro ao longo de muitas décadas, os neurônios têm conquistado a maior parte de sua atenção por serem eletricamente ativos e mais facilmente alvos genéticos, diz Sur. A tecnologia para rastrear a atividade dos astrócitos e manipular sua função não se desenvolveu tão rapidamente. Mas, em 2019, os Institutos Nacionais de Saúde concederam a Sur uma bolsa para desenvolver ferramentas melhores para estudar astrócitos. Esse financiamento ajudou o laboratório a criar a variante de CRISPR/Cas9 que eles chamam de MRCUTS, que possibilitou o novo estudo. A ferramenta permitiu que eles usassem apenas um vetor viral para atingir o gene que codifica Gat3 para múltiplos cortes. Esse ataque multiplexado o eliminou de forma decisiva e precisa nos astrócitos do córtex visual.

Depois que Park desativou o Gat3, ela pôde observar os efeitos de sua ausência rastreando visualmente a atividade de cálcio dos neurônios, um indicador de sua atividade elétrica. As consequências foram mais sutis do que a equipe esperava. Inundados de GABA, os neurônios dispararam com menos robustez e confiabilidade. Quando os camundongos assistiam apenas a uma tela cinza, em vez de filmes, os neurônios também se ativaram espontaneamente com menos frequência.

Mas, para a surpresa dos pesquisadores, quando o Gat3 desapareceu, os neurônios individualmente continuaram a desempenhar suas funções. Células que, na presença do Gat3, respondiam a diferentes características das imagens que os camundongos viam, como a orientação das linhas, permaneceram responsivas mesmo após a eliminação do Gat3. Embora os níveis ambientais de GABA estivessem mais elevados, pares de neurônios ainda compartilhavam GABA por meio de suas conexões diretas, ou "sinapses", como antes, o que significa que seu diálogo direto entre si não mudou.

Essa análise mais profunda ocorreu no nível de conjuntos neurais mais amplos, onde Park usou vários métodos estatísticos e computacionais para analisar como a codificação coletiva de informações por centenas de neurônios mudou quando o Gat3 foi desativado.

Usando um método estatístico chamado "Modelo Linear Generalizado" para analisar padrões de atividade em todo o conjunto, Park descobriu que, quando Gat3 era desativado, a atividade dos neurônios se tornava menos preditiva da atividade de outros no grupo em comparação com quando Gat3 estava presente. Isso indicava que, embora neurônios individuais ainda pudessem estar fazendo o que deveriam, sua coordenação era prejudicada. Enquanto isso, usando um decodificador baseado em "Máquina de Vetores de Suporte" para discernir as informações que os conjuntos estavam representando, ela descobriu que, quando Gat3 estava presente, o decodificador podia melhorar sua avaliação à medida que mais neurônios eram adicionados à sua amostra. Mas quando Gat3 era desativado, o decodificador não conseguia mais determinar as informações representadas, mesmo com o aumento do tamanho da amostra.

“Os déficits de decodificação após a ablação de Gat3 fornecem evidências de que a regulação astrocítica do GABA ambiente é essencial para organizar os padrões de atividade neuronal coordenados necessários para a codificação eficiente de informações em redes corticais visuais”, escreveram os autores no eLife .

A descoberta de que a falta de Gat3 interrompe a coordenação neural no nível populacional pode ajudar a explicar observações clínicas de que a redução de Gat3 no tálamo aumenta o risco de convulsões, o aumento de Gat3 no estriado contribui para comportamentos repetitivos e a redução de Gat3 no globo pálido prejudica a coordenação motora, diz Park.

"Como nosso estudo é o primeiro a analisar os efeitos do Gat3 em nível populacional, ele pode ajudar a relacioná-los a alguns dos fenótipos comportamentais que as pessoas têm observado", diz Park. Mas mais pesquisas são necessárias, observa Sur, porque existem outras proteínas Gat, como a Gat1, que o cérebro pode usar para compensar.

Além de Park e Sur, os outros autores do artigo são Grayson Sipe, Xin Tang, Prachi Ojha, Giselle Fernandes, Yi Ning Leow, Caroline Zhang, Yuma Osako, Arundhati Natesan, Gabrielle Drummond e Rudolf Jaenisch.

Os Institutos Nacionais de Saúde, uma bolsa MURI, a Iniciativa de Pesquisa sobre Autismo da Fundação Simons, a Fundação Freedom Together e o Instituto Picower para Aprendizagem e Memória forneceram financiamento para o estudo.