Em um novo estudo publicado na Nature hoje, pesquisadores do Weizmann Institute of Science, em colaboração com colegas da Universidade Hebraica de Jerusalém , revelaram pela primeira vez como o espaço tridimensional érepresentado no cortex dos mama­feros pelo sistema "GPS" do cérebro. A equipe de pesquisadores, liderada pelo Prof. Nachum Ulanovsky do Departamento de Neurobiologia de Weizmann, ficou surpresa ao descobrir que essa representação émuito diferente da forma como o espaço bidimensional érepresentado, virando de cabea§a várias hipa³teses antigas.

Os mama­feros, incluindo os humanos, conhecem sua posição no Espaço, devido a vários tipos de neura´nios especializados no hipocampo e em seu vizinho vizinho, o cortex entorrinal - regiaµes localizadas nas profundezas do cérebro. As células da direção da cabea§a, as baºssolas internas do cérebro, indicam ao animal a direção para a qual sua cabea§a estãovirada. As células de lugar, pensadas para construir um mapa mental do ambiente, são ativadas quando um animal cruza um local especa­fico. As células de grade, ao contra¡rio, respondem não a um, mas a vários desses locais, e acredita-se que fornea§am ao cérebro uma espanãcie de sistema GPS.

O estudo das células da grade e do GPS do cérebro recebeu o Praªmio Nobel em 2014. No entanto, esses e outros estudos se concentraram apenas em como as duasDimensões são representadas e falaram muito pouco sobre a representação do espaço tridimensional . Para preencher essa lacuna, Ulanovsky e colegas decidiram elucidar como as células da grade agem em trêsDimensões em morcegos que se comportam livremente.

No passado, quando células de grade eram estudadas em roedores que corriam emsuperfÍcies bidimensionais, elas eram ativadas em várias áreas circulares, conhecidas como campos de disparo, que são organizados em um padrãohexagonal simanãtrico - semelhante a papel milimetrado - que as telhas asuperfÍcie. Essa simetria e periodicidade incompara¡veis ​​sugerem que essas células podem estar envolvidas em ca¡lculos espaciais geomanãtricos que formam o núcleo do GPS cerebral. O cortex entorrinal, onde as células da grade estãolocalizadas, éa área do cérebro que éafetada pela primeira vez na doença de Alzheimer, e épossí­vel que a desorientação espacial, uma das primeiras manifestações do Alzheimer, seja devido a  disfunção das células da grade - e a  perda do "papel milimanãtrico" hexagonal das células da grade.

Matematicamente, a maneira ideal de empacotar ca­rculos em duasDimensões éem um padrãohexagonal, como um favo de mel: esta épossivelmente a razãopela qual os campos de disparo circulares das células da grade são representados no cérebro em uma rede hexagonal quando os animais caminham em duasDimensões superfÍcies. Portanto, os pesquisadores esperavam que o padrãode atividade em trêsDimensões fosse similarmente simanãtrico e hexagonal. "Na³s e muitos outros pesquisadores levantamos a hipa³tese de que vera­amos bolas empilhadas hexagonalmente, como laranjas em uma mercearia empilhadas ordenadamente em uma pira¢mide, ou qualquer outro arranjo tridimensional extremamente ordenado", diz Ulanovsky.

Para testar essa hipa³tese, os pesquisadores, liderados pela estudante de doutorado Gily Ginosar, junto com a cientista da equipe Dra. Liora Las, registraram a atividade de células da grade em morcegos que tinham pequenos dispositivos ma³veis montados em suas cabea§as, enquanto os morcegos voavam por uma sala do tamanho de uma grande sala de estar. Estações de alimentação em diferentes alturas garantiam que cada morcego cobrisse a maior parte do volume da sala em cada corrida. Assim que os dados começam a chegar, os pesquisadores viram que as células da grade não se comportavam como esperado ao responder a coordenadas tridimensionais. "A grade global bem ordenada, que éa marca registrada de sua atividade bidimensional, foi totalmente eliminada", explica Ulanovsky.

Em vez disso, os campos de disparo tridimensionais das células da grade, neste caso em forma de esferas em vez de ca­rculos, foram embalados como uma caixa cheia de bolinhas de gude. Eles não estavam completamente desordenados, mas certamente eram menos organizados do que o equivalente tridimensional de uma rede hexagonal - já que o novo arranjo permitia aos "berlindes" alguns graus extras de liberdade. Enquanto faltava qualquer ordem global percepta­vel, as esferas se comprometiam com uma ordem local em que a distância entre uma esfera e seus vizinhos mais pra³ximos permanecia constante.

Em comparação com outras teorias antigas, o novo modelo tea³rico foi o mais fiel aos dados experimentais.

Para oferecer uma explicação mecanicista desse fena´meno de ordem local e não global, a equipe experimental - Ginosar, Las e Ulanovsky - colaborou com os teóricos Dr. Johnatan Aljadeff, ex-pa³s-doutorado em Weizmann e agora professor da Universidade da Califórnia em San Diego e o Prof. Haim Sompolinsky e o Prof. Yoram Burak da Universidade Hebraica de Jerusalém . Juntos, eles construa­ram um modelo que usa princa­pios, emprestados da física estata­stica, que descrevem a interação entre as partículas O modelo revelou que os campos de disparo esfanãricos das células da grade parecem interagir quase da mesma maneira que aspartículas - elas são "atraa­das" umas pelas outras quando estãodistantes e são "repelidas" quando se aproximam demais. Em particular, o equila­brio das forças agindo sobre aspartículas poderia explicar a ordem local que mantinha as esferas a distâncias locais constantes umas das outras, enquanto evitava qualquer rede global. Comparado a outros modelos usados ​​no passado para prever a organização tridimensional dos campos de disparo das células da grade, o novo modelo foi o mais fiel aos dados experimentais.

Tomados em conjunto, os dados experimentais surpreendentes e o modelo tea³rico oferecem uma nova maneira de olhar para a base neural da navegação tridimensional e o papel que as células da grade desempenham neste processo cognitivo. Enquanto os modelos anteriores extrapolaram um arranjo tridimensional semelhante da grade bidimensional, o trabalho de Ulanovsky e colegas e seu modelo de "caixa de ma¡rmores" mostram que as coisas são muito mais complexas. Visto que nenhuma rede peria³dica éformada no espaço tridimensional, as teorias cla¡ssicas para a compreensão do comportamento intrigante das células da grade precisara£o ser revisadas.