Como o cérebro equilibra assumir riscos e aprender

Como o cérebro equilibra assumir riscos e aprender

Cientistas do Salk descobrem um circuito de aprendizado em vermes que dá pistas sobre o comportamento humano

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A maioria dos animais, de lombrigas a humanos, prefere a situação mais previsível quando se trata de garantir recursos para a sobrevivência, como comida. Agora, os cientistas do Salk descobriram a base de como os animais equilibram o aprendizado e o comportamento de risco para chegar a um ambiente mais previsível. A pesquisa revela novos detalhes sobre a função de dois sinais químicos críticos para o comportamento humano: a dopamina – responsável pela recompensa e pela tomada de riscos – e o CREB – necessário para o aprendizado.

“Pesquisas anteriores mostraram que certos neurônios respondem a mudanças na luz para determinar a variabilidade em seu ambiente, mas esse não é o único mecanismo”, diz o autor sênior Sreekanth Chalasani, professor assistente no Salk's Laboratório de Neurobiologia Molecular. “Descobrimos um novo mecanismo que avalia a variabilidade ambiental, uma habilidade crucial para a sobrevivência dos animais.”

Ao estudar lombrigas (Caenorhabditis elegans), os pesquisadores de Salk mapearam como esse novo circuito usa informações dos sentidos do animal para descobrir o quão previsível é o ambiente e solicitar que o verme se mova para um novo local, se necessário. O trabalho foi detalhado em 9 de abril de 2015 em Neurônio.

O circuito, composto por 16 dos 302 neurônios no cérebro do verme, provavelmente tem paralelos em cérebros de animais mais complexos, dizem os pesquisadores, e pode ser um ponto de partida para entender e consertar certos distúrbios psiquiátricos ou comportamentais.

“O que foi surpreendente é o grau em que a variabilidade no comportamento animal pode ser explicada pela variabilidade em sua experiência sensorial passada e não apenas pelo ruído”, diz Tatiana Sharpe, professor associado e coautor sênior do artigo. “Agora podemos prever comportamentos futuros de animais com base em experiências sensoriais passadas, independentemente da influência de fatores genéticos”.

Esta imagem mostra um único neurônio sensorial na lombriga Caenorhabditis elegans. Os pesquisadores do Salk demonstraram como um circuito neural usa experiências anteriores para modificar comportamentos futuros. O trabalho revela novos detalhes sobre a função de dois sinais químicos críticos para o comportamento animal e humano: dopamina (responsável pela recompensa e tomada de risco) e CREB (necessário para o aprendizado).

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Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

A equipe descobriu que dois pares de neurônios nesse circuito de aprendizado atuam como guardiões. Um par responde a grandes aumentos na presença de comida e o outro par responde a grandes diminuições na presença de comida. Quando qualquer um desses neurônios de alto limiar detecta uma grande mudança em um ambiente (por exemplo, o cheiro de muita comida para nada de comida), eles induzem outros neurônios a liberar o neurotransmissor dopamina.

Despejar dopamina em um cérebro – humano ou não – deixa a pessoa mais disposta a correr riscos. Na lombriga não é diferente: estimulada por grandes variedades em seu ambiente, a dopamina surge no sistema da lombriga e ativa outros quatro neurônios no circuito de aprendizagem, dando-lhes um maior alcance de resposta. Isso leva o worm a procurar mais ativamente em uma área mais ampla (assumir riscos) até atingir um ambiente mais consistente. A quantidade de dopamina em seu sistema serve como memória da experiência passada: cerca de 30 minutos ou mais e ele esquece as informações coletadas no tempo anterior.

Embora se saiba que a presença de dopamina está ligada ao comportamento de risco, como exatamente a dopamina faz isso não foi bem compreendido. Com este novo trabalho, os cientistas agora têm um modelo fundamental de como a sinalização de dopamina leva o verme a correr mais riscos e explorar novos ambientes.

“A conexão entre dopamina e risco é conservada entre os animais e já é conhecida, mas mostramos mecanicamente como funciona”, diz Chalasani, que também é titular do Cadeira de Desenvolvimento Helen McLoraine em Neurobiologia. “Esperamos que este trabalho leve a melhores terapias para doenças neurodegenerativas e comportamentais e outros distúrbios em que a sinalização da dopamina é irregular.”

Curiosamente, os cientistas descobriram que os neurônios de alto limiar também levam ao aumento da sinalização de uma proteína chamada CREB, conhecida em humanos e outros animais como essencial para aprender e reter novas memórias. Os pesquisadores mostraram que não apenas a presença de CREB é importante para o aprendizado, mas a quantidade de proteína CREB determina a rapidez com que um animal aprende. Essa conexão surpreendente pode levar a novos caminhos de pesquisa para melhorias cerebrais, acrescenta Chalasani.

Como os pesquisadores testaram exatamente tudo isso em vermes? Eles começaram colocando vermes em pratos que continham um grande ou um pequeno pedaço de bactérias comestíveis. Os vermes nas manchas menores tendem a alcançar as bordas com mais frequência, experimentando grandes mudanças na variabilidade (as bordas têm grandes quantidades de comida em comparação com o centro). Os vermes na mancha grande, no entanto, atingiram a borda com menos frequência, experimentando assim um ambiente geral estável (principalmente uma área com alimentação constante).

Usando genética, imagem, análise comportamental e outras técnicas, os pesquisadores descobriram que, quando os vermes estão em pequenas manchas, os dois pares de neurônios de alto limiar respondem à maior variação e sinalizam levando ao aumento da dopamina. Quando os vermes nessas manchas menores (e mais dopamina) foram retirados e colocados em um novo prato, eles exploraram uma área maior, correndo mais riscos. Os vermes das manchas maiores, no entanto, produziram menos dopamina e foram mais cautelosos, explorando apenas um pequeno espaço quando colocados em uma nova área.

Além disso, quando a proteína CREB estava presente em quantidades maiores, a equipe descobriu que os vermes demoravam muito menos para aprender sobre sua variabilidade alimentar. “Normalmente, os vermes levavam cerca de 30 minutos para explorar e aprender sobre comida, mas conforme você aumenta a proteína CREB, eles aprendem mais rápido”, diz Chalasani. “Portanto, a dopamina armazena a memória do que esses vermes aprendem, enquanto o CREB regula a rapidez com que aprendem.”

Os autores incluem Adam J. Calhoun do University of California, San Diego; Navin Pokala de A Universidade Rockefeller; e Ada Tong, James AJ Fitzpatrick, Tatyana O. Sharpee e Sreekanth H. Chalasani, todos do Salk Institute.

A obra foi financiada pela National Institutes of Health, National Science Foundation e os votos de Fundação Rita Allen.

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das instituições de pesquisa básica mais proeminentes do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.