Como o cérebro diferencia nossos membros

Como o cérebro diferencia nossos membros

Pesquisadores da Salk usam tecnologias de ponta para descobrir diferenças no controle neural de braços e pernas

LA JOLLA—Pernas e braços desempenham funções muito diferentes. Nossas pernas são responsáveis ​​principalmente pela locomoção repetitiva, como caminhar e correr. Nossos braços e mãos, ao contrário, devem ser capazes de executar muitos trabalhos altamente especializados — pegar uma caneta e escrever, segurar um garfo ou tocar violino, só para citar três.

Mas a regulação neural pelas regiões da medula espinhal que se conectam aos braços e aquelas que se conectam às pernas não são bem compreendidas. Agora, um estudo do Salk Institute em camundongos revelou contrastes nos neurônios subjacentes a esses vários tipos de controle motor. Os resultados, que podem um dia levar a tratamentos personalizados baseados em células-tronco para reparar lesões na medula espinhal, foram publicados na revista Neurônio fevereiro 21, 2018.

“A maneira clássica de pensar sobre a medula espinhal é que é uma coluna contínua de neurônios que se conecta ao cérebro ou aos músculos”, diz Samuel Pfaff, um investigador do Howard Hughes Medical Institute em Salk e autor sênior do estudo. “Se você olhar para imagens de cortes transversais da medula espinhal, pode haver variações sutis na forma entre as áreas que controlam os braços e as que controlam as pernas, mas não é óbvio que existam grandes diferenças.”

Graças a um punhado de tecnologias laboratoriais de ponta, os investigadores agora são capazes de decodificar as distinções que levam à especialização no controle motor dos dois conjuntos de membros.

Uma dessas técnicas é o uso de marcadores moleculares para identificar subpopulações de células. No estudo atual, os pesquisadores se concentraram em um grupo de neurônios chamado V2a que expressam o gene CHX10 (pronuncia-se “chex dez”). “Já sabíamos que esses neurônios contribuem para o movimento em todos os níveis da coluna vertebral”, diz Pfaff, que ocupa a cadeira Benjamin H. Lewis. “Mas isso criou uma situação paradoxal: o que pode ser diferente nos neurônios V2a no nível cervical, que controla os braços, em comparação com o nível lombar, que controla as pernas?”

Acontece que, embora os neurônios V2a estejam presentes em toda a coluna vertebral, nem todos eles expressam CHX10 nos mesmos níveis. Primeiro, a equipe usou uma tecnologia chamada sequenciamento de RNA para pesquisar as diferenças na expressão gênica dos neurônios V2a entre as áreas do braço e as áreas das pernas (que se acredita serem equivalentes aos membros anteriores e posteriores em animais). Marito Hayashi, pesquisador associado de pós-doutorado e primeiro autor, descobriu que na medula espinhal de camundongos duas populações principais desses neurônios são graduadas – passando de uma população para outra. Na região cervical (braço), os neurônios são divididos 50-50 entre os que expressam o gene e os que não o fazem, enquanto na região lombar (perna), a maioria dos neurônios V2a o expressa.

Os pesquisadores usaram uma tecnologia chamada optogenética – onde a luz é usada para ligar e desligar seletivamente as células – para observar como os neurônios V2a estavam conectados aos neurônios controladores dos músculos. Eles descobriram que quando os neurônios V2a eram estimulados no nível cervical, as conexões com os neurônios motores eram fracas, enquanto na região lombar as conexões eram fortes e rápidas.

Em seguida, empregando uma técnica de laboratório na qual um vírus da raiva modificado é usado para rastrear circuitos neurais, a equipe revelou que, na região cervical, muitos dos neurônios V2a que não expressam o CHX10 gene foram conectados ao cérebro. Por outro lado, na região lombar onde a maioria dos neurônios V2a expressa o gene, os neurônios estavam fortemente conectados aos neurônios motores e uns aos outros. Isso faz sentido, de acordo com Pfaff, porque os movimentos das mãos e dos braços precisam ser cuidadosamente coordenados com o cérebro, enquanto os movimentos das pernas são mais automatizados.

“Historicamente, as pessoas trataram os neurônios V2a como uma população idêntica em todas as regiões”, acrescenta Hayashi. “Mas descobrimos que, dependendo do segmento dentro da medula espinhal, seu perfil molecular – e, portanto, seu trabalho – era diferente”.

A equipe de Salk, incluindo o especialista em bioinformática Shawn Driscoll, analisou se havia mais de duas populações principais de neurônios V2a empregando sequenciamento de RNA de célula única, uma tecnologia que permite a identificação de genes únicos expressos em uma resolução de célula individual. Esta pesquisa levou à identificação de 11 grupos únicos de neurônios V2a.

O trabalho futuro se concentrará mais de perto nas diferenças moleculares entre esses neurônios.

“Esperamos fazer uma análise mais detalhada para conectar diferentes neurônios às suas funções”, diz Hayashi. Se suas descobertas também forem verdadeiras em pessoas, esse trabalho poderá um dia levar a tratamentos personalizados para reparar lesões na medula espinhal, possivelmente com o uso de células-tronco.

“No momento, ser capaz de usar células-tronco para reparar lesões na medula espinhal é algo que realmente não sabemos como realizar”, diz Pfaff. “Eu uso a analogia de tentar corrigir um problema com o sistema elétrico de um carro abrindo o capô e apenas jogando um monte de fios. Com este trabalho, estamos um passo mais perto de descobrir o que todos esses diferentes fios realmente fazem.”

Os outros autores do artigo foram Christopher Hinckley, Niall Moore, Kathryn Hilde e Ariel Levine de Salk e Kamal Sharma da Universidade de Illinois em Chicago. Hinckley está agora na Biogen, Levine está agora no Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame, e Hilde está agora na Universidade de Michigan.

A pesquisa foi financiada pelo Howard Hughes Medical Institute e pelo Sol Goldman Charitable Trust.