Controle da memória de trabalho se dá por acoplamento fase-amplitude de neurônios do hipocampo humano

Como o cérebro¹ humano armazena informações temporariamente sem perdê-las? Neurocientistas descobriram que os neurônios² dos lobos³ frontal e temporal trabalham juntos para reter informações na memória de trabalho⁴.

A memória de trabalho⁴ é um processo cognitivo⁵ fundamental que nos permite reter informações temporariamente à medida que elas passam pelos nossos sentidos. Tal como uma pequena caixa de armazenamento, a memória de trabalho permite-nos armazenar transitoriamente informações, como o nome de uma pessoa que acabamos de conhecer, uma lista de compras ou fatos que acabamos de aprender numa palestra.

No entanto, tal como acontece com uma pequena caixa de armazenamento, ela tem uma capacidade limitada e pode armazenar apenas algumas memórias por vez. A memória de trabalho⁴ também é notavelmente frágil. Mesmo pequenas distrações podem muitas vezes fazer com que as memórias pareçam desaparecer sem deixar vestígios: pense na facilidade com que esquecemos o nome de uma pessoa que acabamos de conhecer, depois de mudar o assunto da conversa.

Embora este processo cognitivo⁵ central tenha sido há muito tempo tema de intenso interesse e investigação por parte de neurocientistas, a forma como o cérebro¹ humano gerencia a informação sobre itens armazenados na memória de trabalho⁴ permanece pouco compreendida.

Em um novo estudo, publicado na revista Nature, pesquisadores relatam suas análises de neurônios² individuais e populações neurais em pessoas participando de uma tarefa de memória de trabalho⁴ e fornecem novos insights sobre como o cérebro¹ humano representa e controla a manutenção de informações na memória de trabalho⁴.

Eles descobriram como as células⁶ cerebrais responsáveis pela memória de trabalho⁴ coordenam o foco intencional e o armazenamento de informação a curto prazo.

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“Identificamos pela primeira vez um grupo de neurônios², influenciados por dois tipos de ondas cerebrais, que coordenam o controle cognitivo⁵ e o armazenamento de informações sensoriais na memória de trabalho”, disse Jonathan Daume, PhD, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Rutishauser no Cedars-Sinai e primeiro autor do estudo. “Esses neurônios² não contêm nem armazenam informações, mas são cruciais para o armazenamento de memórias de curto prazo”.

A memória de trabalho⁴, que exige que o cérebro¹ armazene informações por apenas alguns segundos, é frágil e requer foco contínuo para ser mantida, disse Ueli Rutishauser, PhD, diretor do Centro de Ciência e Medicina Neural do Cedars-Sinai e autor sênior⁷ do estudo. Ela pode ser afetada por diferentes doenças e condições.

“Em distúrbios como a doença de Alzheimer⁸ ou o transtorno de déficit de atenção e hiperatividade, muitas vezes não é o armazenamento da memória, mas sim a capacidade de focar em e reter uma memória uma vez formada que é o problema”, disse Rutishauser, que é professor de Neurocirurgia, Neurologia e Ciências Biomédicas no Cedars-Sinai. “Acreditamos que a compreensão do aspecto do controle da memória de trabalho⁴ será fundamental para o desenvolvimento de novos tratamentos para estas e outras condições neurológicas”.

Para explorar como funciona a memória de trabalho⁴, os pesquisadores registraram a atividade cerebral de 36 pacientes hospitalizados que tiveram eletrodos implantados cirurgicamente nos seus cérebros como parte de um procedimento para diagnosticar epilepsia⁹. A equipe registrou a atividade de células⁶ cerebrais individuais e ondas cerebrais enquanto os pacientes realizavam uma tarefa que exigia o uso da memória de trabalho⁴.

Na tela do computador, os pacientes viam uma única foto ou uma série de três fotos de várias pessoas, animais, objetos ou paisagens. Em seguida, a tela ficou em branco por pouco menos de três segundos, exigindo que os pacientes se lembrassem das fotos que acabaram de ver. Eles então viram outra foto e foram solicitados a decidir se era aquela (ou uma das três) que haviam visto antes.

Quando os pacientes executando a tarefa de memória de trabalho⁴ foram capazes de responder com rapidez e precisão, os pesquisadores notaram o disparo de dois grupos de neurônios²: neurônios² de “categoria” que disparam em resposta a uma das categorias mostradas nas fotos, como animais, e neurônios² de “acoplamento fase-amplitude”, ou PAC (do inglês phase-amplitude coupling).

Os neurônios² PAC, recentemente identificados neste estudo, não contêm nenhum conteúdo, mas usam um processo chamado acoplamento fase-amplitude para garantir que os neurônios² de categoria foquem e armazenem o conteúdo que adquiriram. Os neurônios² PAC disparam em sincronia com as ondas teta do cérebro¹, que estão associadas ao foco e ao controle, bem como as ondas gama, que estão ligadas ao processamento de informações. Isto permite-lhes coordenar a sua atividade com neurônios² de categoria, que também disparam em sincronia com as ondas gama do cérebro¹, melhorando a capacidade dos pacientes de recordar informações armazenadas na memória de trabalho⁴.

“Imagine que quando o paciente vê a foto de um cachorro, seus neurônios² de categoria começam a disparar ‘cachorro, cachorro, cachorro’ enquanto os neurônios² PAC disparam ‘foco/lembrar’”, disse Rutishauser. “Através do acoplamento fase-amplitude, os dois grupos de neurônios² criam uma harmonia sobrepondo suas mensagens, resultando em ‘lembre-se do cachorro’. É uma situação em que o todo é maior do que a soma das partes, como ouvir os músicos de uma orquestra tocarem juntos. O maestro, tal como os neurônios² PAC, coordena os vários músicos para atuarem em harmonia.”

Os neurônios² PAC fazem esse trabalho no hipocampo¹⁰, uma parte do cérebro¹ que há muito se sabe ser importante para a memória de longo prazo. Este estudo oferece a primeira confirmação de que o hipocampo¹⁰ também desempenha um papel no controle da memória de trabalho⁴, disse Rutishauser.

Este estudo foi conduzido como parte de um consórcio multi-institucional financiado pela iniciativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies, ou The BRAIN Initiative, do National Institutes of Health dos EUA, liderada pelo Cedars-Sinai. Os dados deste estudo são agrupados no Cedars-Sinai, na Universidade de Toronto e na Escola de Medicina Johns Hopkins, resultando num estudo estatisticamente poderoso que uma única instituição não poderia acumular por si só, dada a dificuldade destas experiências.

“Um dos objetivos da BRAIN Initiative é descobrir – através do uso de tecnologias inovadoras – propriedades do cérebro¹ humano que até agora têm sido difíceis, se não impossíveis, de estudar”, disse o Dr. John Ngai, PhD, diretor da iniciativa. “Aqui, ao aproveitar oportunidades incomuns apoiadas pela iniciativa para iluminar processos complexos em humanos, o Laboratório Rutishauser está lançando luz sobre a forma como certos neurônios² apoiam o modo como as memórias são armazenadas no cérebro¹ – um processo que está longe de ser compreendido em distúrbios cerebrais devastadores, como a doença de Alzheimer¹¹ e outras demências.”

No artigo publicado, os pesquisadores contextualizam que a retenção de informações na memória de trabalho⁴ é um processo exigente que depende do controle cognitivo⁵ para proteger a atividade persistente específica de memorandos contra interferências. No entanto, não está claro como o controle cognitivo⁵ regula o armazenamento da memória de trabalho⁴.

Neste estudo, mostrou-se que as interações do controle frontal e da atividade persistente do hipocampo¹⁰ são coordenadas pelo acoplamento fase-amplitude teta-gama (TG-PAC). Registrou-se neurônios² únicos no lobo temporal¹² e frontal medial humano, enquanto os pacientes mantinham vários itens em sua memória de trabalho⁴.

No hipocampo¹⁰, o TG-PAC foi indicativo de carga e qualidade da memória de trabalho⁴. Identificou-se células⁶ que aumentaram seletivamente durante interações não lineares da fase teta e amplitude gama. O tempo de pico desses neurônios² PAC foi coordenado com a atividade teta frontal quando a demanda de controle cognitivo⁵ era alta.

Ao introduzir correlações de ruído com neurônios² persistentemente ativos no hipocampo¹⁰, os neurônios² PAC moldaram a geometria do código populacional. Isso levou a representações de maior fidelidade do conteúdo da memória de trabalho⁴ que foram associadas a um comportamento melhorado.

Esses resultados suportam uma arquitetura multicomponente de memória de trabalho⁴, com controle frontal gerenciando a manutenção do conteúdo da memória de trabalho⁴ em áreas relacionadas ao armazenamento. Dentro desta estrutura, o TG-PAC do hipocampo¹⁰ integra o controle cognitivo⁵ e o armazenamento da memória de trabalho⁴ em todas as áreas do cérebro¹, sugerindo assim um mecanismo potencial para o controle de cima para baixo sobre os processos acionados pelos sentidos.

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Fontes:
Nature, publicação em 17 de abril de 2024.
Science Daily, notícia publicada em 17 de abril de 2024.