• Neuropsicologia

Estudo encontra uma diferença marcante entre neurônios de humanos e outros mamíferos

Imagem: Cortesia dos pesquisadores

Os neurônios se comunicam por meio de impulsos elétricos, que são produzidos por canais iônicos que controlam o fluxo de íons, como potássio e sódio. Em uma nova descoberta surpreendente, os neurocientistas do MIT mostraram que os neurônios humanos têm um número muito menor desses canais do que o esperado, em comparação com os neurônios de outros mamíferos.

Os pesquisadores levantam a hipótese de que essa redução na densidade do canal pode ter ajudado o cérebro humano a evoluir para operar com mais eficiência, permitindo desviar recursos para outros processos de uso intensivo de energia que são necessários para realizar tarefas cognitivas complexas.

Se o cérebro pode economizar energia reduzindo a densidade dos canais iônicos, ele pode gastar essa energia em outros processos neuronais ou de circuito, diz Mark Harnett, professor associado de ciências cerebrais e cognitivas, membro do McGovern Institute for Brain Research do MIT, e o autor sênior do estudo.

Harnett e seus colegas analisaram neurônios de 10 mamíferos diferentes, o estudo eletrofisiológico mais extenso de seu tipo, e identificaram um plano de construção que se aplica a todas as espécies observadas – exceto humanos. Eles descobriram que, à medida que o tamanho dos neurônios aumenta, a densidade dos canais encontrados nos neurônios também aumenta.

No entanto, os neurônios humanos provaram ser uma exceção marcante a essa regra.

Estudos comparativos anteriores estabeleceram que o cérebro humano é construído como outros cérebros de mamíferos, então ficamos surpresos ao encontrar fortes evidências de que os neurônios humanos são especiais, diz o ex-aluno de pós-graduação do MIT Lou Beaulieu-Laroche.

Beaulieu-Laroche é o principal autor do estudo, que aparece hoje em Natureza .

Um plano de construção

Os neurônios no cérebro dos mamíferos podem receber sinais elétricos de milhares de outras células, e essa entrada determina se eles dispararão ou não um impulso elétrico chamado potencial de ação. Em 2018, Harnett e Beaulieu-Laroche descoberto que os neurônios humanos e de ratos diferem em algumas de suas propriedades elétricas, principalmente em partes do neurônio chamadas dendritos – antenas semelhantes a árvores que recebem e processam a entrada de outras células.

Uma das descobertas desse estudo foi que os neurônios humanos tinham uma menor densidade de canais iônicos do que os neurônios no cérebro de ratos. Os pesquisadores ficaram surpresos com essa observação, já que a densidade do canal iônico era geralmente considerada constante entre as espécies. Em seu novo estudo, Harnett e Beaulieu-Laroche decidiram comparar neurônios de várias espécies diferentes de mamíferos para ver se conseguiam encontrar algum padrão que governasse a expressão de canais iônicos. Eles estudaram dois tipos de canais de potássio dependentes de voltagem e o canal HCN, que conduz potássio e sódio, nos neurônios piramidais da camada 5, um tipo de neurônios excitatórios encontrados no córtex cerebral.

Eles foram capazes de obter tecido cerebral de 10 espécies de mamíferos: musaranhos etruscos (um dos menores mamíferos conhecidos), gerbos, camundongos, ratos, cobaias, furões, coelhos, saguis e macacos, bem como tecido humano removido de pacientes com epilepsia durante cirurgia cerebral. Essa variedade permitiu que os pesquisadores cobrissem uma variedade de espessuras corticais e tamanhos de neurônios em todo o reino dos mamíferos.

Os pesquisadores descobriram que em quase todas as espécies de mamíferos que observaram, a densidade dos canais iônicos aumentou à medida que o tamanho dos neurônios aumentou. A única exceção a esse padrão foi nos neurônios humanos, que tinham uma densidade de canais iônicos muito menor do que o esperado.

O aumento na densidade do canal entre as espécies foi surpreendente, diz Harnett, porque quanto mais canais existem, mais energia é necessária para bombear íons para dentro e para fora da célula. No entanto, começou a fazer sentido quando os pesquisadores começaram a pensar no número de canais no volume total do córtex, diz ele.

No minúsculo cérebro do musaranho etrusco, repleto de neurônios muito pequenos, há mais neurônios em um determinado volume de tecido do que no mesmo volume de tecido do cérebro do coelho, que possui neurônios muito maiores. Mas como os neurônios do coelho têm uma densidade mais alta de canais iônicos, a densidade de canais em um determinado volume de tecido é a mesma em ambas as espécies, ou em qualquer uma das espécies não humanas analisadas pelos pesquisadores.

Este plano de construção é consistente em nove espécies diferentes de mamíferos, diz Harnett. O que parece que o córtex está tentando fazer é manter o mesmo número de canais iônicos por unidade de volume em todas as espécies. Isso significa que para um determinado volume de córtex, o custo energético é o mesmo, pelo menos para os canais iônicos.

Eficiência energética

No entanto, o cérebro humano representa um desvio impressionante desse plano de construção. Em vez do aumento da densidade dos canais iônicos, os pesquisadores encontraram uma diminuição dramática na densidade esperada dos canais iônicos para um determinado volume de tecido cerebral.

Os pesquisadores acreditam que essa densidade mais baixa pode ter evoluído como uma maneira de gastar menos energia no bombeamento de íons, o que permite que o cérebro use essa energia para outra coisa, como criar conexões sinápticas mais complicadas entre neurônios ou disparar potenciais de ação em uma taxa mais alta.

Achamos que os humanos evoluíram a partir desse plano de construção que anteriormente restringia o tamanho do córtex e descobriram uma maneira de se tornarem mais eficientes energeticamente, para que você gaste menos ATP por volume em comparação com outras espécies, diz Harnett.

Ele agora espera estudar para onde essa energia extra pode estar indo e se existem mutações genéticas específicas que ajudam os neurônios do córtex humano a alcançar essa alta eficiência. Os pesquisadores também estão interessados ​​em explorar se as espécies de primatas que estão mais intimamente relacionadas aos humanos apresentam diminuições semelhantes na densidade do canal iônico.

A pesquisa foi financiada pelo Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, um Friends of the McGovern Institute Fellowship, o National Institute of General Medical Sciences, o Paul and Daisy Soros Fellows Program, o Dana Foundation David Mahoney Neuroimaging Grant Program, o National Institutes of Health, Harvard-MIT Joint Research Grants Program in Basic Neuroscience e Susan Haar.

Outros autores do artigo incluem Norma Brown, uma associada técnica do MIT; Marissa Hansen, ex-estudiosa de pós-bacharelado; Enrique Toloza, estudante de pós-graduação do MIT e da Harvard Medical School; Jitendra Sharma, cientista pesquisador do MIT; Ziv Williams, professor associado de neurocirurgia da Harvard Medical School; Matthew Frosch, professor associado de patologia e ciências da saúde e tecnologia da Harvard Medical School; Garth Rees Cosgrove, diretor de epilepsia e neurocirurgia funcional do Brigham and Women's Hospital; e Sydney Cash, professor assistente de neurologia na Harvard Medical School e no Massachusetts General Hospital.

Republicado com permissão de Notícias do MIT . Leia o artigo original .

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