image: Circuitos do cérebro posterior do peixe-zebra ativos durante as rotações dos olhos (neurónios a azul e a vermelho) e natação (neurónios verdes). view more
Credit: Cláudia Feierstein (CCU)
O cérebro do peixe-zebra, embora mais simples do que o seu homólogo humano, é uma rede complexa de neurónios que se envolvem numa dança incessante de atividade elétrica. E se este ballet neural pudesse revelar os segredos de como os cérebros, incluindo o nosso, controlam o movimento? Um estudo realizado no peixe-zebra, liderado por investigadores da Fundação Champalimaud, oferece uma nova lente através da qual podemos ver a atividade das populações neurais e compreender como o cérebro orquestra o movimento.
Por que temos um cérebro
“A função primária do cérebro é o movimento”, explica Claudia Feierstein, autora principal do estudo publicado hoje na revista científica Current Biology. “As plantas não precisam de cérebro porque não se movem. No entanto, mesmo para algo aparentemente tão simples como os movimentos oculares, o papel do cérebro permanece em grande parte enigmático. O nosso objetivo é iluminar esta ‘caixa preta’ de movimento e descodificar como a atividade neural controla os movimentos dos olhos e do corpo, usando o peixe-zebra como organismo modelo”.
Com os seus minúsculos corpos transparentes, os peixes-zebra tornaram-se um modelo muito “querido” pela neurociência, uma vez que oferecem uma janela única para o funcionamento do cérebro. “O movimento dos olhos é um circuito neural conservado, ou seja, semelhante, em todas as espécies, incluindo os humanos”, observa Feierstein. “Se conseguirmos compreender como funciona no peixe-zebra, poderemos começar a compreender melhor como o cérebro humano se movimenta”. O peixe-zebra, como os humanos, possui uma capacidade inata de estabilizar a sua visão e posição em resposta ao movimento. Quando o mundo ao seu redor gira, para manter a estabilidade, os seus olhos e corpo movem-se em conjunto. O mesmo acontece quando fixamos o olhar num ponto durante uma volta de carrossel.
Mas como é que o cérebro coordena esse comportamento? Estudos anteriores, realizados por esta equipa, mostraram que diferentes partes do cérebro do peixe-zebra estavam associadas a diferentes tipos de movimentos. No entanto, a relação precisa entre estas áreas cerebrais e o comportamento real permaneceu desconhecida. “Embora saibamos que os neurónios estão envolvidos na deteção de estímulos visuais (a entrada) e no controlo dos músculos (a saída), permanecemos sem compreender sobre o processamento cerebral que acontece entre uma coisa e outra.”, observa Feierstein. Para complicar as coisas está a infinidade de estímulos aos quais os neurónios respondem e a quantidade impressionante de dados que são registados por estudos de imagens do cérebro inteiro. “Quando temos dezenas de milhares de neurónios e 100 diferentes comportamentos possíveis que esses neurónios podem codificar, não é trivial compreender o que está a acontecer”.
Como explica Michael Orger, um dos dois autores seniores do estudo: “Quando observamos a atividade de neurónios individuais, descobrimos que eles podem responder a múltiplas variáveis comportamentais. Isto torna difícil identificar o que é que está exatamente a impulsionar a sua atividade”. Isto leva a uma interação complexa entre neurónios e comportamento, onde neurónios individuais podem estar envolvidos em vários tipos de movimentos.
Uma nova abordagem analítica
Para enfrentar este desafio, os investigadores utilizaram inicialmente um método estatístico conhecido como regressão linear para explorar a relação entre variáveis comportamentais e atividade neuronal. No entanto, rapidamente perceberam que examinar os neurónios um por um não fornecia uma compreensão clara do quadro geral. Era como tentar compreender um espectáculo de dança, de grande escala, com centenas de bailarinos, quando se está apenas a observar os movimentos de um bailarino. “Começamos por observar neurónios individuais, mas rapidamente percebemos que precisávamos compreender o conjunto, ou se quisermos, todo o grupo de bailarinos”, diz Feierstein. “Portanto, incorporámos na nossa análise o que é conhecido como etapa de ‘redução de dimensionalidade’ por forma a obter uma visão ampliada do que a população de neurónios está a fazer”.
Como aponta Christian Machens, o outro autor sénior do estudo: “Queríamos saber: como a atividade geral que medimos se relaciona com o comportamento? Como podemos resumir a atividade de dezenas de milhares de neurónios às suas características essenciais? Foi necessário um tempo considerável para desenvolver a abordagem analítica para isso. Mas uma vez que conseguimos superar estes desafios, foi finalmente possível perguntar: como é que a atividade global destes neurónios se relaciona com comportamentos específicos, como o movimento dos olhos ou a natação?”.
No estudo, os peixes-zebra foram colocados em agarose, uma substância semelhante à gelatina, para assim mantê-los numa posição fixa possibilitando aos investigadores a recolha de imagens do cérebro. Para permitir o movimento, a agarose foi removida das zonas próximas dos olhos e da cauda. “Colocámos então imagens num ecrã por baixo do peixe-zebra e registámos a atividade cerebral com um corante fluorescente através de um microscópio”, descreve Feierstein.
Revelando a coreografia do cérebro
Ao aplicar a sua abordagem analítica a uma região do cérebro do peixe-zebra chamada rombencéfalo, os investigadores conseguiram condensar a cacofonia da atividade neuronal em duas “características” principais, ou padrões de atividade, que correspondiam a tipos específicos de movimentos, e que são presumivelmente gerados por circuitos independentes no romboencéfalo do peixe-zebra.
O primeiro circuito que encontraram diz respeito principalmente aos movimentos oculares, especificamente à rotação dos olhos, no sentido dos ponteiros do relógio ou no sentido contrário. Imagine um peixe a ver algo a girar no seu ambiente. Para manter uma visão estável deste objeto giratório, os olhos do peixe também giram e a sua cauda pode mover-se. Essencialmente, este circuito ajuda o peixe a ajustar os olhos para manter uma imagem constante e estável do que está a ver. Como explica Feierstein: “É como se o cérebro dissesse: ‘Tudo bem, o mundo está a girar ao meu redor, preciso mover os meus olhos para o acompanhar’”. Além disso, os investigadores descobriram que os neurónios associados à rotação para a esquerda e para a direita estavam anatomicamente segregados nos hemisférios esquerdo e direito do cérebro, respetivamente.
O segundo circuito está mais envolvido no que os investigadores chamam de “vergência” e movimento da cauda. Vergência é a capacidade dos olhos se moverem em direções opostas - em que ambos os olhos se aproximam ou afastam do nariz - em resposta a estímulos. Este circuito entra em ação quando o peixe percebe um estímulo que se move de trás para frente. Ao sentir-se como se estivesse a flutuar para trás, o peixe nada para frente para estabilizar a sua posição. Ao mesmo tempo, os seus olhos convergem para manter uma imagem estável. Consequentemente, este circuito ajuda o peixe a ajustar os movimentos do corpo e dos olhos para permanecer numa posição estável.
Como resume Orger: “Um circuito cerebral está principalmente preocupado com os movimentos oculares, particularmente a rotação, para manter uma imagem estável na retina. O outro circuito está principalmente envolvido no movimento corporal, principalmente na natação, em resposta a estímulos visuais para manter uma posição estável no ambiente. Estes circuitos ajudam os peixes a adaptar-se às mudanças no seu ambiente, permitindo-lhes manter uma visão e posição estáveis. Embora os mecanismos exatos ainda não estejam totalmente claros, este estudo fornece informações valiosas sobre como circuitos independentes no cérebro controlam diferentes tipos de movimentos”.
O que mais surpreendeu Feierstein e a sua equipa foi a robustez das suas descobertas. “Encontramos estes circuitos de forma consistente em cada um dos peixes que observamos”, acrescenta. O estudo sugere que esses circuitos não são puramente sensoriais nem puramente motores, mas ficam num ponto intermédio, possivelmente traduzindo informações sensoriais em ações motoras. Em resumo, os investigadores podem ter encontrado dois “coreógrafos” diferentes, cada um dirigindo o seu próprio conjunto de movimentos para ajudar os peixes a interagir com o seu ambiente de forma eficaz.
Uma perspetiva mais simples sobre a complexidade
A investigação da equipa contribui não apenas para uma melhor compreensão de como o cérebro controla o movimento, como também traz um novo método analítico para esta área que pode servir como uma ferramenta muito útil para outros investigadores. “O bom deste método”, diz Feierstein, “é que pode ser utilizado por outras equipas interessadas em melhor compreender a ligação entre a atividade neural e o comportamento”.
As descobertas do estudo podem potencialmente abrir novos caminhos para a compreensão de condições em que a tradução de informações sensoriais em comandos motores pode ser interrompida, como em certos distúrbios neurológicos. Além disso, os resultados poderão inspirar novas abordagens em robótica e aprendizagem automática, onde o conceito de traduzir dados sensoriais em movimento é um princípio fundamental.
Para Machens, “a técnica analítica que desenvolvemos sublinha uma visão crítica: embora os neurónios individuais possam ser incrivelmente complexos, a nível populacional, o seu comportamento pode ser destilado em padrões mais simples. É um lembrete de que às vezes, para compreender a intrincada dança do cérebro, precisamos recuar e ver o todo, o conjunto”.
Quanto aos próximos passos, Feierstein está interessada em ir mais a fundo. “Nós apenas arranhamos a superfície. Um dos próximos passos será observar a atividade de diferentes tipos de neurónios, como os neurónios excitatórios e inibitórios, para ver o que está a acontecer e como estão envolvidos neste processo”. No grande ballet do cérebro, cada neurónio desempenha um papel e, graças a este estudo, estamos uma pirueta mais perto de compreender a coreografia do movimento.
Journal
Current Biology