Códigos da memória


Pesquisadores desvendam os mecanismos usados pelo cérebro na formação de lembranças. Essas descobertas podem levar a novas formas de compreender a mente humana.

Revista Scientific American - por Joe Z. Tsien

A maioria das pessoas que já vivenciaram um terremoto tem lembranças claras dessa experiência: o solo vibra, treme, fica abaulado e se desloca; o ar se enche de estrondos, sons de rachaduras e de vidro estilhaçando; armários se abrem; livros, pratos e bugigangas caem das prateleiras. Lembramo-nos desses episódios - com uma clareza notável mesmo anos depois - porque é isso que nosso cérebro evoluiu para fazer: extrair informação de eventos relevantes e usar esse conhecimento para guiar nossa resposta a situações semelhantes no futuro. Essa capacidade de aprender com experiências anteriores permite a todos os animais se adaptar a um mundo que é complexo e está em constante mutação.

Por décadas, neurocientistas tentaram descobrir como o cérebro produz lembranças. Agora, combinando um conjunto de novos experimentos a análises matemáticas poderosas e à capacidade de gravar simultaneamente a atividade de 200 neurônios em camundongos despertos, meus colegas e eu descobrimos o que acreditamos ser o mecanismo básico usado pelo cérebro para extrair informação vital das experiências e transformar em lembranças.

Nossos resultados se somam a trabalhos cada vez mais numerosos que indicam que um fluxo linear de sinais de neurônio a neurônio não é suficiente para explicar como o cérebro representa percepções e lembranças. Na verdade, essas representações demandam atividade coordenada de grandes populações de neurônios.

Além disso, nossos estudos indicam que as populações de neurônios ennvolvidas na codificação de lembranças também discernem os conceitos gerais que nos permitem transformar nossas experiências diárias em conhecimento e idéias. Nossos resultados deixam os biólogos mais próximos de decifrar o código neuronal universal: as regras que o cérebro segue para converter seqüências de impulsos elétricos em percepção, memória conhecimento e, ao final, comportamento. Essa compreensão pode levar ao desenvolvimento de interfaces máquina-cérebro mais eficazes, a toda uma nova geração de robôs e computadores inteligentes e talvez até mesmo à elaboração de um livro de códigos da mente que possibilitaria decifrar - pelo monitoramento da atividade neuronal - o que um indivíduo está lembrando ou pensando.

    Conceitos-chave

    - O cérebro depende de grandes populações de neurônios atuando de forma coordenada para representar e gravar uma memória a partir das experiências do organismo.
    - No hipocampo do camundongo (uma área-chave para a formação da memória), subconjuntos dessas populações - apelidados "diques neurais" - respondem a aspectos diferentes de um acontecimento. Alguns representam informação geral e abstrata sobre uma situação, outros indicam características mais específicas.
    - A mesma organização hierárquica usada na formação das lembranças pode ser aplicada pelo cérebro na conversão de seqüências de impulsos elétricos em percepções, conhecimento e comportamento. Dessa maneira o funcionamento da memória deixa os pesquisadores mais próximos da descoberta do código neuronal universal: as regras usadas pelo cérebro para identificar e compreender as experiências do organismo.

  • Detalhes fundamentaisA pesquisa sobre o código cerebral derivou de um estudo da base molecular do aprendizado e da memória. Em 1999, geramos uma linhagem de camundongos geneticamente modificados para ter a memória melhorada. Esse camundongo mais "inteligente" - apelidado Doogie - aprende mais rapidamente e se lembra das coisas por mais tempo que um camundongo normal. O trabalho gerou grande interesse e debate, mas nossos resultados me fizeram questionar: o que é exatamente a memória?

    A conversão de experiências perceptivas em lembranças duradouras emprega uma região do cérebro chamada hipocampo. E sabemos quais são moléculas cruciais para o processo, como o receptor NMDA, que alteramos para produzir Doogie. Mas ninguém sabia como a ativação das células nervosas no cérebro representa a memória. Cheguei a me perguntar se não era possível encontrar uma descrição matemática ou fisiológica da memória. Qual seria a dinâmica relevante da rede neuronal e o padrão da atividade que ocorre quando uma lembrança se forma? Quais seriam os princípios organizadores que permitem às populações de neurônios identificar e registrar os detalhes vitais de uma experiência?

    Para aprender sobre o código neuronal envolvido na memorização era preciso primeiro projetar um monitor melhor para o cérebro. Queríamos continuar trabalhando com camundongos, em parte para que pudéssemos posteriormente conduzir experiências com espécimes com capacidade de aprender e lembrar geneticamente alterada, como Doogie e outros mutantes com memória deficiente. Pesquisadores já monitoraram a atividade de centenas de neurônios em macacos despertos, mas os cientistas que trabalham com camundongos só conseguiam registrar a atividade de no máximo 20 ou 30 células ao mesmo tempo - principalmente porque o cérebro desses animais não é muito maior do que um amendoim. Assim, Longnian Lin e eu desenvolvemos um dispositivo de gravação que permite monitorar a atividade individual de um número muito maior de neurônios em camundongos despertos se comportando livremente.

  • Quatro bolhasEntão planejamos experimentos para tirar proveito do que o cérebro parece fazer melhor: criar lembranças de event tos que podem influir drasticamente na vida de uma pessoa. Testemunhar os ataques terroristas do 11 de Setembro, sobreviver a um terremoto ou mesmo despencar dos 13 andares da Torre do Terror da Disney World são coisas difíceis de esquecer. Assim, desenvolvemos testes que imitavam esse tipo de acontecimento episódico com grande carga emocional. Essas experiências deveriam produzir lembranças fortes e duradouuras, envolvendo um grande número de células no hipocampo e aumentando a probabilidade de encontrarmos células ativa das pela experiência e reunirmos dados para revelar qualquer padrão e princípio organizacional envolvidos no processo.

    Os acontecimentos episódicos que escolhemos incluíam uma versão de laboratório de terremoto (sacudimos a pequena caixa com o camundongo dentro), um ataque virtual de coruja em vôo, imitado por uma aplicação repentina de jato de ar nas costas do animal, e uma curta queda livre vertical dentro de um pequeno "elevador". Cada animal foi submetido a sete episódios de cada evento, intercalados com períodos de descanso de várias horas. Registramos a atividade de 260 células na região CAl do hipocampo, uma área-chave para a formação da memória em animais e seres humanos.

    Após coletarmos os dados, tentamos inicialmente identificar quaisquer padrões que pudessem estar relacionados à codificação das lembranças daqueles eventos surpreendentes. Remus Osan e eu analisamos as gravações usando poderosos métodos de reconhecimento de padrões, em especial a análise de discriminantes múltiplos, ou MDA. Esses métodos matemáticos superam aquilo, que de outra maneira se apresentaria como um problema com número muito alto de variáveis (por exemplo, a atividade de 260 neurônios antes e depois de um acontecimento, o que resultaria em 520 dimensões) em um espaço gráfico com apenas três dimensões. Infelizmente, para os biólogos com formação clássica, os eixos que compõem as três dimensões não correspondem a qualquer medida tangível da atividade neuronal, mas ajudam a mapear um espaço matemático capaz de descrever os diferentes padrões gerados pelos diferentes eventos.

    Quando projetamos as respostas coletadas de todos os neurônios de um dos animais nesse espaço tridimensional, quatro "bolhas" distintas de atividade em rede apareceram: uma associada ao estado de descanso do cérebro, outra ao terremoto, uma terceira ao jato de ar e a última à queda livre. Portanto, cada um dos episódios assustadores resultou em um padrão distinto de atividade no conjunto neuronal CAl. Acreditamos que os padrões representam a informação integrada sobre diferentes aspectos perceptivos, emocionais e factuais dos eventos.

    Para observar a dinâmica e a evolução dos padrões durante as experiências, aplicamos a técnica "janela deslizante" às horas de dados registrados para cada animal - avaliando as gravações de momento a momento e repetindo a MDA em cada janela de meio segundo. Desse modo, pudemos observar as mudanças nos padrões de resposta à medida que o animal formava lembranças de cada evento. Em um animal que passou pelo terremoto, por exemplo, pudemos perceber o início da atividade do conjunto na bolha de repouso, depois o disparo para a bolha do terremoto e então o retorno ao estado de repouso, desenhando uma trajetória com formato triangular característico.

    Essa análise revelou que os padrões de atividade associados às experiências assustadoras ocorreram novamente e de maneira espontânea em intervalos que variaram de segundos a minutos após o evento ter ocorrido de fato. Esses replays exibiam trajetórias semelhantes, incluindo a forma geométrica característica, mas tinham amplitudes menores que as das respostas originais. A recorrência desses padrões de ativação forneceu evidência direta de que a informação que percorreu o sistema do hipocampo se inscreveu nos circuitos de memória do cérebro - imaginamos que o replay corresponda a uma lembrança da experiência após o fato. Essa capacidade de medir qualitativa e quantitativamente as reativações espontâneas dos padrões de codificação da memória abre caminho para verificar como os traços recém-formados de memória consolidam-se em memórias duradouras. As mesmas medidas podem ainda possibilitar o exame das diferenças entre os processos que ocorrem tanto em camundongos inteligentes quanto naqueles com dificuldade de aprendizado.

    Com os padrões indicativos de lembranças específicas em mãos, tentamos entender como os neurônios que estávamos "acessando" trabalhavam juntos para codificar os acontecimentos. Empregando a análise de agrupamento hierárquico com os métodos da MDA, Osan e eu descobrimos que esses padrões gerais de redes são gerados por subgrupos distintos de populações neuronais, os diques murais (ou grupos neuronais exdusivos). Um dique é um grupo de neurônios que responde de forma semelhante a um evento específico e assim opera coletivamente como uma unidade robusta de codificação.

    Descobrimos que cada evento particular é sempre representado por um conjunto de diques neurais que codifica características diferentes, as quais variam de gerais a específicas. Um terremoto ativa um dique de susto geral (que responde aos três estímulos assustadores); um segundo dique responde apenas aos eventos envolvendo perturbações no movimento (reagindo tanto ao terremoto quanto à queda de elevador); um terceiro é ativado exclusivamente pelo sacudir; e um quarto indica onde o evento ocorreu (para o evento do terremoto colocamos o animal em duas caixas diferentes).

    A região CA1 do hipocampo recebe dados de muitas outras regiões do cérebro e sistemas sensoriais, e essa característica provavelmente influencia que tipo de informação um determinado dique codifica. Por exemplo, o dique que responde aos três eventos pode integrar informações da amígdala cerebral (que processa emoções como medo ou novidade), codificando que "esses eventos são assustadores e chocantes"; os diques ativados tanto pelo terremoto quanto pela queda podem processar dados no sistema vestibular (que fornece informação sobre perturbações de movimento), codificando assim que "esses eventos me fazem perder o equilíbrio". Já os diques que respondem apenas a um evento determinado em um local específico podem integrar dados adicionais de "células de localização" (neurônios que disparam quando o indivíduo passa por um ponto familiar específico de seu ambiente), codificando assim que "esse terremoto ocorreu na caixa preta".

    Acreditamos que os diques neurais servem como unidades funcionais de codificação que dão origem às lembranças e sã l;ões da amígdala cerebral (que processa emoções como medo ou novidade), codificando que "esses eventos são assustadores e chocantes"; os diques ativados tanto pelo terremoto quanto pela queda podem processar dados no sistema vestibular (que fornece informação sobre perturbações de movimento), codificando assim que "esses eventos me fazem perder o equilíbrio". Já os diques que respondem apenas a um evento determinado em um local específico podem integrar dados adicionais de "células de localização" (neurônios que disparam quando o indivíduo passa por um ponto familiar específico de seu ambiente), codificando assim que "esse terremoto ocorreu na caixa preta".

    Acreditamos que os diques neurais servem como unidades funcionais de codificação que dão origem às lembranças e são fortes o suficiente para representar informação mesmo se alguns neurônios individuais no conjunto sofrerem alguma variação. Apesar de a idéia de memórias e percepções serem representadas por populações neuronais não ser nova, achamos que obtivemos os primeiros dados experimentais que revelam como tal informação é, de fato, organizada dentro da população neuronal. O cérebro emprega diques codificadores de memória para discernir e registrar diferentes características de um mesmo evento basicamente arranjando a informação em uma pirâmide cujos níveis são organizados hierarquicamente - de características mais gerais e abstratas a aspectos mais específicos. Cada uma dessas pirâmides pode ser uma unidade componente de um poliedro que congregaria todos os eventos da mesma categoria compartilhada, como o conjunto "todos os acontecimentos assustadores".

    Essa abordagem hierárquica e combinatória da formação da memória forneceria ao cérebro meios para gerar um número quase ilimitado de padrões diferenciados e virtualmente únicos de redes, capazes de representar o número também virtualmente infinito de experiências de um organismo. Essa combinação ocorre de forma semelhante à dos quatro nucleotídeos que compõem as moléculas de DNA, gerando um número quase ilimitado de padrões, origem da diversidade de organismos no planeta, teoricamente infinita. E como o código da memória é categórico e hierárquico, a representação de novas experiências pode envolver simplesmente a substituição dos diques específicos que formam o topo das pirâmides de memória para indicar, por exemplo, que o terremoto ocorreu na Califórnia e não na Indonésia.

    O fato de cada pirâmide de codificação de memória induir invariavelmente diques que processam em vez de abstrair informação também reforça a idéia de que o cérebro não é um dispositivo que apenas grava os detalhes de um evento em particular. Na verdade, os diques neurais do sistema de memória permitem que o cérebro codifique características-chave de episódios específicos e, ao mesmo tempo, extraia a informação geral dessas experiências que pode ser aplicada a situações futuras, as quais podem compartilhar características essenciais mas variar em detalhes físicos. Essa capacidade de gerar conhecimento e conceitos abstratos a partir de episódios diários, que é a essência de nossa inteligência, nos permite solucionar os problemas sempre novos que um mundo em constante mutação nos apresenta.

    Considere, por exemplo, o conceito "cama". Qualquer pessoa pode entrar em qualquer quarto de hotel no mundo e reconhecer imediatamente a cama, mesmo que nunca tenha visto aquela cama em particular antes. É a estrutura de nossos conjuntos codificadores de memória que nos permite reter não apenas a imagem de uma cama específica, mas a idéia geral do que uma cama é.

    A organização categórica e hierárquica dos diques neurais provavelmente é um mecanismo geral não apenas para a codificação de lembranças mas para o processamento e representação de outros tipos de informação - de percepções sensoriais a pensamentos conscientes - em outras áreas do cérebro que não o hipocampo. No sistema visual, por exemplo, os pesquisadores descobriram neurônios que respondem a faces, induindo faces humanas e de macacos, ou mesmo a folhas com formato de face. Outros encontraram células que respondem apenas a uma subclasse de faces. De volta ao hipocampo, pesquisadores que estudam pacientes com epilepsia descobriram um subgrupo de células que em resposta a imagens de pessoas famosas aumentam sua taxa de ativação. Juntos, esses dados sugerem que a organização hierárquica do geral ao específico é um princípio genérico de organização de todo o cérebro.

    O trabalho com camundongos também nos levou a uma forma de comparar os padrões de um cérebro aos de outro - e até mesmo transmitir informação de um cérebro a um computador. Usando a inversão de matriz pudemos traduzir a atividade de conjuntos de diques neurais em uma seqüência de código binário, em que 1 representa um estado ativo e 0, um estado inativo, para cada unidade de codificação dentro de um dado conjunto examinado. Por exemplo, a memória de um terremoto pode ser gravada como "11001": nessa seqüência, o primeiro 1 representa a ativação do dique surpresa geral; o segundo 1, a ativação do dique que responde a uma perturbação do movimento; o primeiro 0 indica falta de atividade no dique acionado pelo jato de ar; o segundo, falta de atividade no dique queda (com o elevador); e o1 final, ativação do dique terremoto. Aplicamos um código binário semelhante à atividade do conjunto neuronal em quatro camundongos e fomos capazes de prever, com até 99% de precisão, o evento pelo qual eles tinham passado e onde isso tinha acontecido. Ao esquadrinhar o código binário, conseguimos ler e comparar matematicamente a mente dos animais.

      Padrões molecilares: as marcas nos genes

      Em 1949, o psicólogo canadense Donald O. Hebb postulou que uma lembrança é produzida quando duas células nervosas interagem de modo a fortalecer de alguma forma o sinal pela sinapse - o contato entre dois neurônios. Mas foi só nos anos 80 que cientistas viram a regra de Hebb em ação em fatias do cérebro. Ao estimularem pares de neuurônios do hipocampo com eletrodos, Holger Wigström, da Universidade de Göteborg, Suécia, e colegas descobriram que a ativação de um neurônio pré-sináptico (célula sinalizadora) ao mesmo tempo que um neurônio pós-sináptico (recebedora do sinal) levava a uma maior eficácia: com o tempo, o neurônio pós-sináptico pas

    • Leitura Dinâmica e Memorização

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