Aprendizagem e Memória

 

Introdução

 

Como os bioquímicos estudam o comportamento?

 

No século XIX, foi proposto que o cérebro estaria para a mente assim como um violino está para a música. Hoje, metáforas mais pertinentes para cérebros e mentes são o computador e seus programas. O Hardware é análogo ao cérebro geneticamente determinado, enquanto o software é a parte passível de modificação, resultando da experiência comportamental. Muito tem sido aprendido sobre como os genes que determinam o desenvolvimento cerebral são expressos. Mostrou-se que a diferenciação celular, migração, sinaptogênese e outros fatores têm um papel muito importante no desenvolvimento. Sabe-se que uma rede de neurônios e glia em desenvolvimento responde seletivamente a fatores de crescimento e a gradientes de substâncias químicas de acordo com um programa altamente integrado e pré-definido. Sabemos ainda que um animal recém-nascido não é como uma folha em branco. Ele possui comportamentos trazidos pelo seu hardware e que são conhecidos como instintos. Uma questão pertinente nesse ponto é se existe algum mecanismo celular ou molecular que esteja ativo durante o desenvolvimento, mas que seja reduzido ou ausente no cérebro maduro e que possa ser induzido de forma a servir como a base física da aprendizagem e da memória. Ainda, as manifestações físicas do aprendizado e da memória podem ser mediadas por mecanismos únicos para a aquisição e manutenção de novos comportamentos.

 

 

A aprendizagem pode ser definida como uma mudança adaptativa em relação a uma resposta de determinado evento ambiental

 

Tem sido questionado se a aprendizagem e memória poderiam existir fora do sistema nervoso, como, por exemplo, na resposta imune, mas consideraremos aqui apenas o cérebro e o comportamento. A aprendizagem é quantificada experimentalmente como a probabilidade que um organismo responda da mesma forma a um estímulo quando esse é repetido. Essa alteração da probabilidade seria baseada na memória do organismo do que foi aprendido. Portanto, não é possível considerar o aprendizado sem memória ou a memória sem o aprendizado. Podemos, entretanto, distinguir entre memória necessária para o aprendizado permanente ou memória de curta-duração. Por exemplo, um animal pode demonstrar ter adquirido uma resposta condicionada ao realizar treinamentos repetitivos durante uma seção inicial de treinamento, o que indicaria a ocorrência do aprendizado e da memória de curta-duração na tarefa executada. A repetição do comportamento aprendido numa segunda seção de treinos realizada horas ou semanas mais tarde constituiria evidência da formação de memória de longa-duração. O fato de que as memórias de curta e longa-duração são processos distintos veio através de estudos utilizando agentes interventivos (fig. 50.1). É importante lembrar que apesar de que consideramos que a aprendizagem e a memória são processos biológicos intrínsecos, nossas medidas de comportamento são baseadas totalmente na performance do animal que é utilizado num determinado experimento. Quando um animal previamente treinado não demonstra ter adquirido um determinado comportamento em relação a algumas condições específicas, como indução por drogas, a determinação do fato de que a memória para dado comportamento foi suprimida ou desapareceu (amnésia) vai depender da habilidade do experimentador.

Figura 50.1A. Efeitos da administração de agentes que bloqueiam a memória de longa duração. Um goldfish (Carassius auratus) é mostrado numa caixa utilizada para treinamento de comportamento com choque. O goldfish é transferido de tanques para um dos lados do aparato de treinamento, que é dividido em duas metades por uma barreira submersa. O treinamento começa com um sinal de luz, o estimulo condicionado, na extremidade da caixa mais próxima do peixe. Ela é seguida por um choque 20 segundos depois, o estímulo não condicionado, administrado através da água. Peixes inexperientes respondem ao estimulo não condicionado nadando, após o choque, através da barreira até o lado escuro, e presumivelmente seguro, da caixa. Essa resposta de escapar é eventualmente trocada após muitos experimentos pela aprendizagem da resposta que evita o choque, na qual o peixe nada pela barreira antes do choque acontecer. Se o peixe demonstra a resposta condicionada ou a não condicionada, ele estará de qualquer forma do lado contrário ao do início do experimento. O próximo experimento, então, começa com o sinal de luz do lado que peixe se encontra do aparato. A localização do peixe na caixa é determinada por fotodetectores e suas escapadas corretas do choque são marcadas automaticamente.

Figura 50.1 B e C.

B. A probabilidade de evitar a resposta durante 15 tentativas (seção 1) aumenta progressivamente, indicando que a memória de curta-duração é formada. Após essa primeira seção, o peixe retorna imediatamente para o seu tanque e é submetido ao teste uma semana depois, demonstrando seu aprendizado anterior e mostrando aprendizagem mais eficaz na segunda seção. Se algum agente amnésico é injetado intracranialmente logo antes da seção (tempo a), a aquisição normal é vista, mas há um profundo déficit na performance nos treinamentos posteriores uma semana depois. Se o agente é administrado algum tempo antes da primeira seção (tempo b) a retenção da aprendizagem é vista. Variando o tempo de injeção da droga após o treinamento a duração de atividade do agente amnésico pode ser medida. A injeção intracraniana de inibidores de síntese protéica é efetiva quando administrada 24, mas não 72 horas antes da seção 1. Uma injeção imediatamente posterior à seção 1 (tempo c) resulta num profundo déficit no treinamento uma semana depois (seção 2). O processo é dependente de tempo já que o peixe retorna a seu tanque e, se a injeção for dada poucas horas depois (tempo d), não há déficit na segunda seção. De fato, o peixe não tratado anteriormente cujo agente amnésico é dado logo após a segunda seção (dia 8 – tempo e) ainda mostra ter aprendido a resposta. Essas regras de tratamento tempo-dependentes podem estar relacionadas aos efeitos tóxicos agudos ou crônicos dos agentes amnésicos.

C. O decaimento da memória de curta-duração. A injeção de um agente bloqueante logo antes ou depois da seção 1 resulta em falha na formação da memória de longa-duração. Nesse experimento grupos individuais de animais foram treinados e retreinados por varias vezes antes de 8 dias, a 6, 48 ou 96 horas após a seção 1, demonstrando a perda gradual da resposta aprendida. Os experimentos, portanto, constituem evidência do decaimento da memória de curta-duração.

 

O estudo da neuroquímica correlacionando aprendizado e memória deve ser feita através descoberta de um padrão comportamental e que seja possível estudar utilizando abordagens moleculares e celulares.

 

Sistemas experimentais simples, como sensibilização e habituação, nos quais um estímulo repetitivo gera uma diminuição ou aumento de resposta comportamental, respectivamente, têm se mostrado úteis. Essas respostas são obtidas através de estudos com organismos primitivos, como invertebrados, cujos circuitos neurais acredita-se serem mais simples e experimentalmente acessíveis do que os cérebros de vertebrados. Outra abordagem reducionista utiliza preparações in vitro de pedaços de tecido cerebral, que permitem exame direto de alterações na transmissão sináptica seguida de uma breve estimulação neural, onde se acredita que os impulsos elétricos imitem os eventos que ocorrem no cérebro intacto durante a aprendizagem. Portanto, o experimentador pode comprometer a relevância direta de seu estudo comportamental ao medir o modelo de transmissão neural do aprendizado e memória utilizando um modelo mais simples. Ou então, de forma alternativa, estudar o comportamento em algum animal mais complexo sem poder medir os parâmetros celulares, bioquímicos e moleculares. Comportamentos mais complexos em animais intactos, incluindo humanos, serão discutidos a seguir.

 

 

A investigação de aprendizagem e memória no comportamento de animais intactos geralmente envolve uma das duas estratégias: interventiva ou correlativa.

 

Inibidores antibióticos de sínteses macromoleculares e vários agentes farmacológicos, como agonistas de neurotransmissores e antagonistas, são exemplos de agentes interventivos. Mesmo quando administrados sistemicamente ou intracranialmente, eles não têm localização anatômica e freqüentemente afetam várias vias metabólicas. Apesar disso, muito pode ser aprendido utilizando essas substâncias, que podem apontar uma direção para estudos posteriores que venham a confirmar ou refutar conclusões feitas sobre interferências desses agentes. Portanto, estudos de radioisótopos podem investigar se um processo metabólico específico que se pensa ser crucial para a formação de memória é alterado através da manipulação comportamental na ausência do agente interventivo.

 

Abordagens genéticas que utilizam mutação e procedimentos de nocaute são, por natureza, interventivos. Medidas não invasivas de atividade cerebral como tomografia por emissão de positrons (PET) e resonância magnética funcional (fMRI) são abordagens correlativas, particularmente úteis para o estudo da aprendizagem e memória em humanos.

 

As várias estratégias correlativas e interventivas e os sistemas modelo mostram ser mais úteis quando podem ser integrados numa hipótese consistente que leve a experimentos importantes no futuro ou quando pode-se adicionar novas informações a modelos teóricos que mostrem como o cérebro processa e guarda a informação comportamental.

 

 

Pressupostos Básicos

 

A hipótese atual relativa às bases neuroquímicas da memória é baseada em premissas que serão enumeradas abaixo. O resto desse capítulo discute sua validade:

 

1. A base normalmente aceita do paradigma comportamental para o estudo do aprendizado e da memória é a resposta condicionada.

 

O que será que queremos dizer quando falamos que o aprendizado e a memória compreendem uma ampla variedade de respostas adaptativas em espécies altamente diferentes? A caracterização feita por Pavlov sobre condicionamento tem servido como modelo padrão e como critério de aceitação do aprendizado em animais intactos e, por analogia, em modelos celulares e subcelulares. Ele enfatizou as necessidades temporais para a aprendizagem ótima: para que a aprendizagem ocorra, o estimulo condicionado ou neutro (CS) deve preceder o estímulo não-condicionado (US). Por exemplo, um choque elétrico que resulte num aumento de batimentos cardíacos pode servir como um estimulo não-condicionado, que pode ser comparado com uma luz neutra ou um estímulo sonoro que não afetem o comportamento do animal. O critério de contingência, ou seja, que o CS preceda o US deve ser observado na aprendizagem verdadeira. Esses critérios podem ser aplicados a sistemas simples, como nos sistemas nervosos de invertebrados, onde neurônios específicos e conhecidos parecem mediar o comportamento, ou em preparações de cérebros de mamíferos, onde a performance é medida eletrofisiologicamente.

 

 

2. A síntese de proteínas é necessária para memória de longa duração, mas não para a memória de curta-duração.

 

Estudos em peixes, roedores, pássaros e invertebrados têm indicado que a formação das memórias de curta e longa duração podem ser distinguidas com base na susceptibilidade a agentes antibióticos que bloqueiam a síntese de proteínas no cérebro. Considerações sobre os aspectos temporais da aprendizagem e memória e o conhecimento da escala temporal dos processos bioquímicos levaram à predição de que o aprendizado e a formação de memória de curta-duração, que pode ocorrer dentro de milisegundos ou horas, são mediados por modificações pós-traducionais da sinapse. A memória de longa duração, que pode se formar e durar por toda uma vida, acredita-se ser mediada por processos que (i) requerem síntese de proteínas de novo, e (ii) portanto dependem do genoma neuronal, e (iii) deve necessitar da existência de comunicação entre a superfície celular e o núcleo, provavelmente através de transporte axonal.

 

 

3. Informações comportamentais são armazenadas em conexões sinápticas

 

Esse conceito surgiu com Cajal, que primeiro reconheceu a enorme complexidade das redes neuronais no cérebro. Apesar de que parece evidente que as funções orgânicas mais complexas residam nas estruturas mais complexas, essa premissa ainda não foi confirmada. Ela é suportada por muitas indicações de que a complexidade sináptica aumenta com o desenvolvimento e com o ambiente. Hipóteses alternativas, como as de que a memória reside na glia, não têm suporte suficiente para serem apresentadas aqui. Foi proposto que a memória não é baseada na alteração de estados químicos, mas na reverberação de circuitos elétricos ou distribuições de carga, entretanto há uma ampla evidência de que a memória permanece guardada mesmo em períodos de silêncio elétrico do cérebro. Neuroquímicos geralmente adotam a premissa de que fenômenos biológicos de longa-duração são preservados e protegidos na forma de ligações químicas covalentes. Entretanto isso não permite uma hipótese simples de acréscimo de novas conexões sinápticas que seriam soldadas às anteriores, pois, enquanto algumas memórias podem durar o tempo de uma vida, as proteínas cerebrais fazem um turn over que deve ser medido no tempo de horas, dias ou semanas. As alterações das relações sinápticas podem sobrepor memórias de longa duração guardadas, que podem durar por anos, e deve, portanto, depender de loops de retro-alimentação gerados no núcleo da célula. Há amplas evidências independentes de que o genoma regula a expressão fenotípica ao longo do tempo de vida de uma célula, sendo que, no caso dos neurônios, isso significa o tempo de vida do indivíduo. Permanece ainda por ser demonstrado quais dos eventos que ocorrem durante a aprendizagem nas superfícies das membranas pré e pós-sinápticas são comunicados ao núcleo neuronal.

 

Esses três pressupostos servem como base para a avaliação da diversidade de abordagens experimentais que permitem o entendimento da aprendizagem e da memória.

 

 

A Plasticidade Sináptica como Modelo para a Pesquisa do Aprendizado e da Memória

 

Durante o desenvolvimento precoce há um contínuo crescimento e modificação das conexões entre neurônios e seus alvos. Um aumento aparente na entrada de estímulos ambientais contribui para as conformações e para o ajuste dos circuitos neuronais durante o desenvolvimento e ao longo da vida. A conectividade neuronal não é fixa uma vez que já se desenvolveu, mas continua sua mudança ao longo da vida. A remodelação da conectividade sináptica pode ocorrer em resposta a manipulações ambientais, estimulações sensoriais e aprendizagem de novas tarefas e pode estar associada com mudanças cíclicas no status fisiológico do organismo.

 

 

Mudanças no ambiente podem gerar respostas plásticas neuronais

 

O principal propósito da aprendizagem é se adaptar com sucesso ao ambiente, que está sempre em mudança. As mudanças no ambiente e nas interações do organismo podem produzir mudanças dramáticas na morfologia celular do cérebro. Experimentos que suportam essa abordagem envolvem a colocação de ratos em ambiente ricos e a comparação de seus cérebros com o de ratos que são mantidos num ambiente pouco diversificado. Uma condição ambiental pobre ou pouco diversificada consiste de um ambiente onde animais vivem solitariamente com um mínimo de estimulação ambiental. Já um ambiente rico freqüentemente consiste de um grupo de animais com grandes tocas, brinquedos, escadas, labirintos e interações sociais. Essas condições influenciam profundamente o aprendizado, tanto em relação à estrutura química quanto à anatômica do cérebro.

 

A exposição de ratos jovens em um ambiente rico resulta em uma melhor performance na aprendizagem espacial quando comparados com ratos que viveram em ambientes pobres. Ainda, os efeitos ambientais do enriquecimento do ambiente são complementados por alterações físicas no cérebro. A exposição de ratos a condições ricas por 30 dias aumenta o número de sinapses e a complexidade da ramificação dendrítica no córtex frontal e occipital. Não apenas os neurônios são afetados, mas há também um aumento da área de superfície dos astrócitos e na vascularização do cérebro. Os efeitos podem ser de magnitude suficiente para gerar um aumento na espessura total do córtex cerebral. Um aumento nas neurotrofinas pode ser um dos mecanismos moleculares que contribuem para esse efeito impressionante. Enquanto as respostas adaptativas gerais são mais pronunciadas no cérebro de ratos jovens, a estimulação ambiental produz efeitos também nos cérebros de ratos velhos. Ratos já velhos, com 25 a 30 meses, que passam a viver em condições ricas por vários meses mostram um aumento na performance de aprendizagem acompanhada por um aumento na espessura cortical, angiogênese e nos dendritos. As observações dos efeitos do enriquecimento ambiental em roedores enfatizam a importância da atividade física e da estimulação mental para as funções cerebrais e plasticidade cerebral.

 

 

Aprendizagem motora pode modificar a conectividade sináptica

 

Em animais modelos treinados em tarefas complexas, há freqüentemente a aprendizagem repetitiva e atividade de novos e diferentes componentes. Seria a tarefa repetitiva ou o novo aprendizado mais crítico para as mudanças estruturais no cérebro, ou seriam ambas essenciais? Isso pode ser antecipado pelo fato de que as estruturas cerebrais são mais responsivas para os processos de aprendizado do que para a atividade e performance motora. Num experimento designado para determinar as contribuições relativas para cada condição, um grupo de ratos foi treinado em condição de aprendizagem aeróbica, que requer um grande aprendizado motor. Outro grupo foi exercitado em uma corrida numa rodinha voluntária, que possui apenas um pequeno componente de aprendizagem. Esses dois grupos foram comparados um com o outro e com ratos que ficaram inativos. A condição aeróbica consistia de treinamento em um caminho cheio de obstáculos. O curso foi sendo cada vez mais longo e mais desafiador num período de treinamento de 30 dias. Após o treinamento, os animais mostraram melhora no tempo em que atravessavam o caminho. No fim de 30 dias o córtex cerebelar, que participa na aprendizagem das habilidades motoras, foi analisado por um número de sinapses em cada célula de Purkinje e a densidade de vasos sanguíneos. Os resultados mostraram que a condição de aprendizagem aeróbica permite o aumento de sinapses, onde a condição de exercícios produzida aumenta a densidade de vasos sanguíneos (fig 50.2).

 

Figura 50.2. Efeitos de várias tarefas motoras através de medidas de microanatomia cerebral. Grupos de ratos foram submetidos a treinamento de novas tarefas acrobáticas (AC) ou a corrida voluntária em rodinha (VX) ou em condição inativa (IC). A curva de aprendizado do grupo AC (A) foi comparada com o aumento nas sinapses para cada célula cerebelar de Purkinje (B) e com a densidade de vasos sanguíneos (C). Foi visto que AC está associado com o aumento no número de sinapses, enquanto os exercícios voluntários aumentam a vascularidade.

 

Portanto, parece que quando o ambiente apresenta uma necessidade de movimentos hábeis, há um aumento de sinapses. Entretanto, quando o ambiente demanda repetição intensiva, a densidade vascular é aumentada pra gerar um aumento na demanda metabólica. O exercício em si pode iniciar mudanças moleculares no cérebro e influenciar mecanismos de aprendizagem e memória. Ratos expostos diariamente a corridas aumentaram sua performance em várias tarefas de aprendizagem, inclusive no aprendizado espacial. Relacionando-os aos ratos sedentários controle, os ratos que corriam produziam mudanças na captação de colina de alta-afinidade (marcador da função colinérgica) no hipocampo e no córtex parietal; aumento da densidade dos receptores muscarínicos; inibição da diminuição da densidade de receptores muscarínicos no hipocampo causados pelo envelhecimento; e aumento da imunoreatividade do hipocampo para selecionar neuropeptídeos. Somente poucos dias de corrida voluntária já aumenta a expressão de fatores tróficos no hipocampo, como o fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF).

 

Além disso, a estimulação ambiental pode facilitar a recuperação após dano cerebral, já que a exposição a condições mais ricas seguidas pela injuria cerebral pareceu aumentar a performance no aprendizado e nas tarefas motoras. É geralmente aceito que isso envolve a criação de axônios e sinaptogênese juntamente com o uso de mecanismos de plasticidade direcionados pelo ambiente. O exercício reportado também faz o cérebro mais resistente a injúria. O aumento na atividade cerebral pode induzir neurotrofinas como BDNF, que podem, por sua vez, influenciar a plasticidade sináptica e a resistência neuronal a insultos.

 

Há, portanto, evidência tanto em estudos com animais quanto em humanos de que o enriquecimento ambiental e a adaptação física podem estar relacionados com funções cognitivas e de memória. Esses mecanismos de plasticidade podem dar o ajuste fino no circuito neural e evocar sistemas de suporte essenciais.

 

 

Hormônios endógenos causam alterações estruturais no sistema nervoso

 

Está bem estabelecido que os hormônios que circulam no corpo podem produzir comportamentos específicos. Evidências recentes demonstram que mudanças nas concentrações de hormônios induzem mudanças na morfologia neuronal do CNS. Por exemplo, num cérebro de roedor normal, o desenvolvimento da densidade sináptica na região CA1 do hipocampo depende da disponibilidade de andrógenos. Parece ainda que a remoção de hormônios esteróides gerados por ovariectomia causa a diminuição da densidade de dendritos na região CA1 do cérebro de ratas adultas. Essas mudanças são observadas logo após tratamento, sugerindo a possibilidade de que ocorram mudanças hormônio-induzidas na densidade sináptica durante o ciclo menstrual normal. Analises quantitativas feitas por microscópio eletrônico confirmaram que os dendritos dos neurônios na região CA1 hipocampal e no hipotálamo ventromedial apresentam mudanças cíclicas de acordo com o ciclo do estro (cio) no rato. Especificamente durante o ciclo do estro (cio) a densidade de dendritos é significativamente menor durante a fase pré-cio. Pode ser antecipado que essas mudanças devem influenciar os mecanismos de aprendizagem e memória que envolvam o hipocampo.

 

 

Regeneração nervosa serve como modelo de neuroplasticidade na formação do aprendizado e memória

 

A regeneração nervosa, como o remodelamento sináptico, parece ocorrer na formação do aprendizado e da memória num cérebro adulto pos-mitótico. O sistema de regeneração visual de vertebrados ectotérmicos tem sido de particular interesse em eventos que acontecem inteiramente no CNS, já que parece que a regeneração do CNS de endotermos, como pássaros e mamíferos parece não ocorrer. Como conseqüência, o nervo óptico de goldfish foi estudado extensivamente para a presença de novas proteínas induzidas durante a regeneração. Um exemplo é a proteína associada a crescimento GAP-43, que foi identificada com um componente do cone de crescimento no axônio em regeneração. Essa proteína é expressa no hipocampo do rato e sua fosforilação é aumentada sob condições que induzem a potenciação de memória de longa duração. Portanto, GAP-43 serve como um exemplo de proteína caracterizada como tendo papel na regeneração, mas depois mostrou também participar de outras formas de plasticidade neuronal. Tais proteínas podem também se mostrar sondas úteis de plasticidade sináptica induzidas por condições ambientais, como ocorre na aprendizagem e memória.

 

 

Aprendizagem e Memória em Invertebrados

 

Invertebrados oferecem um grande número de vantagens quando utilizados como sistemas modelo para a aprendizagem e memória. Muitas dessas vantagens são a simplicidade das redes neuronais, que são freqüentemente organizadas em vários gânglios discretos ao invés de um CNS. Ainda, o genoma é tipicamente menos complexo em invertebrados do que em vertebrados, assim o número de genes envolvidos nas respostas de aprendizagem parece ser bem menor.

 

Aplyia apresenta um modelo celular para a aprendizagem e memória

 

Kandel e colaborados foram pioneiros na utilização da lesma marinha Aplysia californica como um sistema modelo para o estudo dos eventos neuronais associados com a aprendizagem. Aplysia tem um sistema nervoso relativamente simples, consistindo de aproximadamente 10000 neurônios, muitos dos quais grandes o suficiente para permitir manipulação direta dentro dos circuitos neuronais.

 

Três comportamentos, cada um com um valor adaptativo diferente, têm sido estudados em Aplysia: habituação, sensibilização e condicionamento clássico. A habituação descreve a resposta aprendida na qual ocorre a diminuição de uma resposta específica após repetições do mesmo estimulo. Em Aplysia, a habituação serve como um modelo rudimentar que divide alguns aspectos de regulação relevantes para a aprendizagem. A lesma expõe sua brânquia após uma leve estimulação tátil em seu sifão. Após repetidas estimulações, a exposição diminui tanto em sua magnitude quanto em duração. Se a experiência de habituação consistir de uma seção de treinamento com relativamente poucas estimulações, digamos, menos de dez, num curto intervalo de tempo, menos de uma hora, então a habituação dura por somente poucas horas após o treinamento. Se, entretanto, quatro ou mais seções de treinamento acontecem, a resposta da habituação pode durar por varias semanas. Há duas formas de habituação que tem sido interpretadas como modelos de memórias de curta e longa duração.

 

Há uma diferença em como as memórias de curta e longa duração são medidas em Aplysia e em vertebrados, como o goldfish. Em Aplysia, a memória de curta duração refere-se à memória resultante de poucas seções de treinamento. Com seções adicionais, a memória parece adquirir maior robustez e durar mais. Em experimentos com goldfish e ratos, a mesma seção de treinamento pode gerar memórias de curta e longa duração. Memória de curta duração é formada durante seções de treinamento, enquanto memória de longa duração acontece através de processos de consolidação que acontecem após as seções de treinamento. Tanto em peixes como em Aplysia, parece que a formação da memória de curta duração não requer a síntese de proteínas, enquanto a memória de longa duração a requer.

 

A relativamente simples atividade neuronal envolvida na habituação do reflexo de exposição de brânquias é mostrado na figura 50-3. A estimulação de um neurônio sensorial que inerva o sifão causa a estimulação dos neurônios motores que inervam o músculo da brânquia. Com o processo de habituação, o número de potenciais pós-sinápticos produzidos no neurônio motor diminuem. Quando completamente habituados, os neurônios motores não se despolarizam e não há exposição da brânquia, enquanto que a despolarização dos neurônios sensoriais em resposta a estimulação do sifão não é afetada. Kandel e colaboradores mostraram que a habituação é resultante de uma diminuição da eficácia sináptica entre o neurônio sensorial e o neurônio motor devido à permeabilidade alterada de íons cálcio necessários para a neurotransmissão no terminal pré-sináptico. Os íons cálcio (Ca2+) entram no terminal pré-sináptico através de canais sensíveis a voltagem e, durante a habituação, esses canais tornam-se inativos. Apesar de que mecanismos específicos para essa inativação têm sido postulados, a natureza desse evento é desconhecida. Além disso, considerando que a habituação de longa duração parece envolver a síntese de proteínas, os mecanismos conhecidos para a inativação dos canais de cálcio não são suficientes para explicar o que acontece.

 

Figura 50.3A Um diagrama simplificado dos circuitos envolvidos na sensibilização, habituação e condicionamento clássico em Aplysia. Neurônios sensoriais, neurônios motores e interneuronios são indicados. Os neurônios sensoriais do mando (B) e do sifão (C) inervam os neurônios motores, que controlam a exposição da brânquia (A), enquanto os neurônios sensoriais da cauda (D) inervam os interneuronios. Os interneuronios formam sinapses axo-axônicas, que são modificadas durante a sensibilização e o condicionamento. CS, estímulo condicionado, US, estímulo não condicionado.

 

Uma segunda forma de aprendizado em Aplysia, conhecido como sensibilização envolve um paradigma mais complexo de aprendizado e depende de um mecanismo de regulação celular mais complicado. Em um tipo de experimento de sensibilização um choque na cauda é dado no animal logo antes de uma estimulação tátil no sifão. O choque anterior sensibiliza o animal que, portanto, apresenta um reflexo de exposição das brânquias maior em amplitude e duração associado com a estimulação do sifão. Como na habituação, a sensibilização pode ter natureza de curta ou longa duração, dependendo da duração e do numero de seções de treinos envolvidas.

 

A via neuronal envolvida na sensibilização de experimentos de choque é esquematizada na figura 50.3A. A estimulação dos neurônios sensoriais na cauda causa a geração de um potencial de ação em interneuronios específicos que facilitam a sensibilização. Esses interneuronios formam conexões sinápticas especificas com axônios de neurônios sensoriais que enervam o sifão. As sinapses dos interneuronios são posicionadas de forma a liberar neurotransmissores nos axônios dos neurônios sensoriais, formando uma sinapse axo-axônica. Na sensibilização por choque na cauda, esses interneuronios liberam serotonina nos terminais axônicos dos neurônios sensoriais. Receptores específicos de serotonina nos terminais axônicos respondem a serotonina e geram um aumento das concentrações de cAMP nos axônios (fig 50.3B). A elevação do cAMP então ativa a proteina kinase dependente de cAMP (PKA) que possui múltiplos substratos no neurônio sensorial. Inicialmente PKA fosforila os canais de potássio no neurônio sensorial. A diminuição da entrada de potássio na célula prolonga o potencial de ação e aumenta a duração do influxo de cálcio através dos canais sensíveis a cálcio. O efeito de rede dessa fosforilação é que mais íons cálcio fluem para o axônio e, considerando que o cálcio é requerido para fusão das vesículas sinápticas com a membrana, maior é a liberação de neurotransmissores quando o neurônio e despolarizado seguindo a ativação do receptor de serotonina. Uma maior liberação de neurotransmissores para os axônios sensoriais nos neurônios motores resulta num aumento da contração dos músculos envolvidos na extensão da brânquia. Esse mecanismo, envolvendo apenas fosforilação de proteínas é suficiente para explicar a maioria das mudanças observadas durante a sensibilização de curta-duração.

 

Figura 50.3 B. Um diagrama enfocando os eventos bioquímicos que acontece na sinapse axo-axônica. A serotonina (5HT) liberada pelos interneurônios liga-se ao seu receptor no neurônio sensorial e eleva a concentração de cAMP, que, por sua vez, ativa a proteína kinase dependente de cAMP (PKA). Durante a aprendizagem de curta duração os canais de potássio (K+) são fosforilados, permitindo um maior tempo de despolarização, aumentando o influxo de cálcio através dos canais de cálcio e aumentando a liberação de neurotransmissores (7S). Durante o aprendizado de longa duração a subunidade catalítica de PKA se transloca para o nucelo (5L) e estimula a transcrição gênica através da ligante do elemento de resposta a cAMP (CREB), iniciando a síntese de proteínas. CRE: elemento de resposta a cAMP; Ap: Aplysia.

 

A sensibilização de longa duração pode durar por dias a semanas e tem sido mostrada resultar em mudanças morfológicas, o que sugere que a conversão de memórias de curta para longa duração envolve a tradução de eficiência na transmissão sináptica em mudanças morfológicas na sinapse. Sensibilização de longa duração requer síntese de RNA e proteínas ao invés de permitir o crescimento de novos contatos sinápticos entre as células pré e pos-sinápticas. O mecanismo básico para sensibilização de longa duração está no relacionado à ativação serotonérgica de PKA; entretanto, durante as seções de treinamento repetitivo necessárias para sensibilização de longa duração, a ativação persistente de PKA causa uma translocação nuclear da subunidade catalítica da kinase (fig. 50.3B). No núcleo, a subunidade catalítica fosforila fatores de transcrição que regulam a transcrição de genes específicos. Uma classe de fatores de transcrição liga-se a seqüências enhancer que são responsáveis pelo aumento na transcrição após ativação de PKA. Esses enhancers – elementos de resposta a cAMP (CRE) – geralmente tem a forma da seqüência TGACGTCA e tem sido caracterizados em mamíferos tão bem quanto em Aplysia. A proteína ligadora de CRE reconhece especificamente as seqüências CRE próximas aos promotores de genes e mediam o aumento da transcrição apenas quando fosforiladas por PKA. A microinjeção de nucleotídeos CRE sintéticos no núcleo de neurônios sensoriais mostrou abolir a sensibilização de longa duração, provavelmente competindo pela proteína ligadora de CRE (CREB) com o DNA genômico. Duas formas de CREB já foram descritas em Aplysia: ApCREB1, que atua como mediador positivo da regulação da trancrição por cAMP e ApCREB2, que mostra homologia a ApCREB1 mas perdeu o sitio de fosforilação por PKA. Experimentos sugerem que a ApCREB2 pode atuar como repressor da sensibilização por longa duração e que a fosforilação por outras kinases pode ser necessária para sua repressão.

 

Alguns dos eventos que seguem a ativação de ApCREB1 tem sido definidos. Um dos genes que atua anteriormente à fosforilação de CREB foi identificado em Aplysia como sendo uma proteína de ligação ao enhancer CCAAT (ApC/EBP). Essa proteína é homologa a um fator de transcrição de mamíferos conhecido por regular o gene c-fos. Parece que a indução da proteína ApC/EBP é responsável pela indução secundária de genes responsáveis pela formação de novas conexões sinápticas. Um segundo gene induzido diretamente por ApCREB1 é uma ubiquitina hidrolase. Essa enzima está relacionada à degradação proteolítica da subunidade regulatória de PKA, resultando numa ativação prolongada da subunidade catalítica vista durante a sensibilização de longa duração. A ubiquina hidrolase pode também ter um papel na degradação de uma molécula de adesão celular de Aplysia (ApCAM). Foi postulado que a degradação de ApCAM leva à ativação da endocitose necessária para o crescimento de novas sinapses.

 

A forma mais complexa de aprendizagem que pode ser estudada convenientemente em Aplysia é o condicionamento clássico. Nesses estudos, choques caudais resultam na exibição da brânquia e, se o sifão é estimulado logo antes (<1sec) do choque, o animal eventualmente aprende e associa a estimulação do sifão com o choque. Ao contrario, se o mato é estimulado logo após a resposta na cauda não há resposta aprendida. Os mecanismos celulares envolvidos no condicionamento clássico em Aplysia são similares àqueles envolvidos na sensibilização, mas a diferença crucial esta na estrita dependência temporal encontrada no condicionamento clássico. Nas mesmas sinapses axo-axonais onde a serotonina é liberada para a estimulação da produção de cAMP pelo neurônio, o resultado é a despolarização do teminal pré-sináptico. Essa despolarização resulta em concentrações elevadas de cálcio no terminal pré-sináptico como resultado do influxo através de canais sensíveis a cálcio. O aumento é transiente e o cálcio eventualmente retorna às concentrações de repouso. Se, entretanto, o terminal pré-sinaptico é estimulado com serotonina enquanto as concentrações de cálcio estão elevadas dentro do terminal pré-sinaptico, o efeito da serotonina na geração de cAMP é potenciada pela elevação de cálcio. Esse efeito parece ser devido à forma sensível a cálcio da adenilato ciclase, que mostra maior estimulação da atividade de ciclase na presença de serotonina e em altas concentrações de cálcio. Portanto, se a liberação de serotonina ativada por US é seguida de perto pela ativação da via CS, a potenciação da atividade de ciclase resulta em concentrações mais altas de cAMP, maior ativação de PKA, maior fosforilação dos canais de potássio envolvidos na sensibilização e aumento da liberação de neurotransmissores pelo terminal pré-sináptico. Isso, portanto constitui o modelo sináptico de condicionamento, regulado ao nível molecular.

 

 

Drosophila são úteis como sistemas genéticos para estudos de aprendizado e memória

 

 

            Estudos identificaram um número de linhagens mutantes que pareciam normais exceto pela inabilidade de aprender ou de memorizar tarefas específicas de treinamento. Algumas formas paradigmáticas de sensibilização, habituação e condicionamento clássicos tem sido mostrados em Drosophila. Uma das estratégias de varredura mais usada na caracterização de mutantes envolvem operações de condicionamento e olfatórias (Fig 50-4A). Moscas são expostas a um odorante, como 4-metilciclohexanol, espalhado em uma grade de arame eletrificada. Eventualmente, moscas normais aprendem a associar o choque elétrico com o odor e evitam este. Depois deste treinamento, o aprendizado pode ser quantificado através da exposição destas moscas em duas câmaras que tem diferentes odores e da determinação da porcentagem de moscas que aprenderam a evitar a condição de odor. Estoques de moscas podem ser induzidos à mutação, e aqueles mutantes que alteram sua habilidade de associar o choque ao odor são selecionados.

 

Um dos melhores mutantes documentados é o dunce (dnc), que é deficiente no gene estrutural da fosfodiesterase AMPc (PDE) (Fig 50-4B).  A PDE é responsável pela recuperação da concentração celular de AMPc a valores basais após estimulação da adenilato ciclase. Múltiplos transcritos de RNAm deste gene codificam várias isoformas diferentes da PDE (estas isoformas são reguladas diferentemente e expressas em tecidos específicos). Anticorpos gerados a partir de uma região conservada entre as isoformas tem sido usadas para demostrar que PDE dnc está concentrada em uma região do sistema nervoso de Drosophila conhecido como “corpo cogumelo”. Esta região tem sido implicada no aprendizado olfatório e na memória com base em vários experimentos. A expressão restrita de PDE dnc nesta região sugere que esta proteína tem um papel na mediação da formação da memória.

 

            Outro mutante de Drosophila relatado é o rutabaga (rut). Como os dnc, a memória formada em rut decai rapidamente. A adenilato ciclase de moscas rut tem um aumento no Km para ATP. Alem disso, estes parecem não ter a adenilato cilase estimulada pela calmodulina. Estes mutantes rut contem uma única base modificada, que resulta na mudança de um aminoácido, que é suficiente para abolir a atividade da adenilato ciclase. Estas observações sugerem que comportamentos complexos em Drosophila, como aprendizado, podem ser drasticamente alterados por simples alterações no genoma.

 

            Moscas mutantes que produzem enzimas defeituosas requeridas no metabolismo de neurotransmissores, como a DOPA descarboxilase, tem mostrado ser deficientes nos paradigmas de aprendizagem olfatório e comportamental. A DOPA descarboxilase é necessária para a síntese de dopamina, serotonina e octopamina. Devido ao fato desta enzima ser também essencial para a produção da cutícula, estes mutantes tem o desenvolvimento do exoesqueleto prejudicado e em fenótipo complexo. Este problema foi solucionado através do uso de alelos mutantes sensíveis à temperatura. Estes alelos funcionam normalmente e permitem um desenvolvimento normal à 25ºC. A indução subsequente do fenótipo neural pode ser ativado por uma leve exposição das moscas adultas à uma temperatura elevada que inibe a enzima mutante.

 

 


 

 

 

 


Figura 50-4A: O treinamento e testes do paradigma da memória e aprendizado para Drosophila. As moscas são primeiro treinadas para evitar um odor, como o ciclohexanol,  em uma grade eletreficada. Depois do treinamento, as moscas são submetidas à escolha entre duas câmaras, uma contendo o odor (a) e a outra sem (b). A ditribuição de moscas nas duas câmaras depois é analisado.

 

 


 

 

 

 


Figura 50-4 B: A natureza de vários mutantes de Drosophila conhecidos por afetar o aprendizado e a memória incluem a dopa carboxilase (Ddc); rutabaga, a adenilato ciclase dependente de calmodulina/Ca2+; dunce, a fosfodiesterase AMPc,; a aminesiantes, a dPACAP. Receptores pós-sinápticos de neurotransmissores genéricos são denominados NTR.

 

 

            O mutante com amnésia (amn) foi caracterizado à nível molecular e o gene envolvido foi identificado como um precursor de neuropeptídeo que contém dois peptídeos relacionados com o peptídeo pituitário ativador da adenilato ciclase (PACAP).

 

            Além destas linhagens de moscas mutantes comportamentais obtidas por varredura génetica sense, vários experimentos genéticos anti-sense demostraram genes essenciais  no aprendizado e na memóia: a subunidade a da Gs, subunidades catalítica e regulatória da PKA e dCREB2. Interessantemente, diferentes transcritos do mesmo gene dCREB2 podem ser formados por splicing alternativo produzindo um ativador e um repressor da transcrição do gene.

 

 

Outros invertebrados tem sido desenvolvidos como sistemas modelos para estudos experimentais de memória

 

            No invertebrado marinho Hermissenda crassicornis, o CS é um fototaxi positivo que é pareado à uma rotação altamente rápida, o US, que leva à uma supressão da resposta não-condicionada. Sessões diárias de 50 a 100 “pareamentos” por alguns dias resulta na retenção do aprendizado por 2 semanas. Mudanças celulares descobertas após o condicionamento e uma corrente de K+ reduzida nos fotorreceptores tipo B tem sido propostos experimentalmente. Em experimentos envolvendo várias drogas e microinjeções de enzimas foi inferido que proteínas cinases dependentes de Ca2+/calmodulina e PKA estão envolvidas no aprendizado de Hermissenda.. Entretanto, neste invertebrado, diferente da Aplisia, o influxo de Ca2+ é resultante da despolarização, enquanto na Aplisia é mediado por neurotransmissores. Inibidores da síntese de proteínas prolongam a alteração no condicionamento da Hermissenda. Tem sido especulado que estes resultados são relacionados à formação da memória de curta duração.

 

            Caenorhabditis elegans é outra espécie que tem sido foco de análises genéticas que tem como objetivo identificar os componentes moleculares do desenvolvimento neural e do aprendizado e memória. Animais mutantes que mostram defeitos nas memórias de curta e longa duração foram isolados. Sua vantagem é uma anatomia de apenas algumas centenas de neurônios. Assim, se ocorre alguma alteração na expressão fenotípica morfológica do sistema nervoso, esta pode ser mais diretamente relacionada com a alteração de comportamento.

 

 

 

ESTUDOS DE APRENDIZADO E MEMÓRIA EM VERTEBRADOS

 

            Rodentes, particularmente camundongos e ratos, tem sido por muito tempo os animais vertebrados experimentais mais favorecidos no estudo de comportamento. O camundongo é apropriado para estudos genéticos devido a disponibilidade de populações congênitas, incluindo muitas linhagens mutantes, e da disponibilidade de técnicas transgênicas para a manipulação de seqüências genomicas. O coelho tem sido útil em estudos de condicionamento clássico, empregando o piscar de olhos. O cérebro de ave tem se mostrado atrativo para estudos de comportamento de registro, onde galinhas recém- nascidas e patos seguem um objeto móvel ao qual eles foram expostos primeiramente após sair do ovo. Correlações neuroquímicas como aumento da síntese macromolecular tem sido investigada extensivamente. Mudanças na síntese macromolecular na raiz do telencefalo de ave tem sido relacionada com sucesso ao registro da aversão ao paladar. Aquisição de cantos de pássaros tem sido associadas com uma codificação imediata de genes recentes em regiões fora do cérebro  em “zebra finches” e canários. Primatas inferiores são de especial interesse devido a sua similaridade na estrutura do SNC com os humanos. O conceito de que o funcionamento de cérebros superiores pode ser localizado recebe suporte em estudos de aprendizado humano e memória empregando PET e fMRI.

 

 

Potencialização por longos períodos (LTP) leva à mudanças estruturais na sinapse

 

            Acredita-se que a formação da memória e do aprendizado envolvem mudanças estruturais no cérebro, especialmente nas sinapses, mas os mecanismos que levam a estas mudanças permanecem obscuros. Como já foi discutido, o aprendizado envolve uma mudança adaptativa em resposta à um estímulo. No cérebro de mamífero, o LTP é uma correlação sináptica muito útil no aprendizado e memória. Depois de uma série de estímulos sinápticos curtos e de alta freqüência, a amplitude da resposta sináptica cresce e pode ser mantida in vivo com níveis altos por dias à semanas. O LTP é particularmente muito freqüente nas estruturas corticais como o hipocampo. É importante ressaltar que LTP não está claramente associado as modificações comportamentais observadas em animais intactos.

 


 


            Como  mostrado na figura 50-5, o arranjo anatômico das conecções sinápticas no hipocampo rende uma boa estrutura para experimentos. Três classes distintas de conecções sinápticas do hipocampo tem sido estudadas: “ perforant path”, que consiste em axônios do córtex entorhinal fazendo sinapse com células granulosas do giro dentado, “mossy fibers”, que são células do giro dentado fazendo sinapse com células piramidais da região CA3, e o “Schaffer collateral pathway”, sendo sinapses entre as células piramidais de CA3 com neurônmios de CA1. Apesar de cada em destes tipos de sinapse poder desenvolver o LTP, o tipo “mossy fiber” é específico em muitos caminhos.

 

 

Figura 50-5. Diagrama da rede do hipocampo de neurônios envolvidos na LTP. Neurônios do córtex entorhinal enervam as células granulares do giro dentado, que envia “mossy fibers” para células da região CA3, que fazem sinapses com neurônios CA1, formando o Schaffer colateral. LTP pode ser induzido no perfotante-dentado, no mossy fiber-CA3 e nas sinapses Schaffer colateral-CA1.

 

            Um dos aspectos mais impressionantes do LTP é a “especificidade de sinapse”. Por exemplo, se um neurônio CA1 receber algumas sinapses aferentes de células piramidais CA3 distintas, o LTP será observado apenas nas sinapses aferentes que receberam a estimulação tetânica. Existem evidências consideráveis de que o glutamato tem um papel de neurotransmissor excitatório na formação do LTP. A partir do momento em que antagonistas do receptor NMDA ( N-metil-D-aspartato) inibem o LTP, tem sido proposto que os receptores pós-sinápticos ativados durante o LTP são NMDA. O receptor metabotrópico de glutamato (mGluR) tem um papel chave na indução do LTP, com ou sem a ativação dos NMDA. A elevação pós-sináptica de Ca2+ tem um papel importante no LTP (experimentos mostram que a adição de quelantes de Ca2+ em neurônios pós-sinápticos inibe o LTP), sendo proposto que esta condição é necessária à ativação de cinases. A ativação de PKC ocorre no decorrer da formação do LTP e é essencial para este. Também foi postulado que a fosforilação de GAP-43 pela PKC pode ser necessária. Uma segunda PCK provavelmente envolvida no LTP é a PKC II-calmodulina/ Ca2+  (CaMKII), que possui ação mais prolongada. Uma série de outras proteínas estão envolvidas no LTP que são específicas para cada população de neurônios.

 

            Está claro que muitos aspectos críticos do LTP podem ser mediados por neurônios pós-sinápticos. Se um aumento na liberação de neurotransmissores da célula pré-sináptica cobre a formação do LTP, a célula pós-sináptica deve se comunicar de alguma maneira com a célula pré-sináptica. O controle retrogrado de mensagens do neurônio pós-sináptico não está muito claro, e é possível que muitas substâncias estejam envolvidas. Estas incluem prostanoides e óxido-nitrico, dentre outras. A pergunta chave é: Qual é o processo que converte a resposta transiente em resposta final? Muitas evidências sugerem que o LTP pode induzir a formação de sinapses adicionais.

 

            Estudos de fatias do hipocampo revelaram um efeito potente de BDNF na plasticidade sináptica e no LTP. Várias evidências sugerem fortemente que BDNF tem um papel funcional na expressão de LTP no hipocampo. Uma evidencia adicional para o envolvimento de BDNF no aprendizado e na memória está na observação de que o aprendizado aumenta o RNAm de BDNF no hipocampo.

 

            O mecanismo preciso no qual o BDMF modula a plasticidade sináptica envolve efeitos pré e pós-sinápticos. Ele tem sido postulado como um mensageiro retrogrado específico. Também potencializa a liberação de neurotransmisores clássicos com glutamato e acetilcolina de neurônios que expressam o receptor de BDNF, o trkB, e promove a liberação de neurotrofinas . A neurotransmissão e liberação de neurotrofina induzidas por BDNF são mecanismos que modulam a plasticidade sináptica.

 

 

 

 

 

Medidas comportamentais de aprendizado e memória definem tipos de memória

 

            Com o número crescente de mutantes disponíveis deficientes em genes individuais, o papel individual dos passos  neuronais na memória e aprendizado está se formando. A conclusão final é que existem vários tipos de aprendizado em vertebrados e que testes comportamentais distintos podem ser feitos para examiná-los. Camundongos mutantes em PKCg mostram defeitos nos aprendizados espacial e condicional. Estes resultados tem voltado a atenção para o papel de sinapses CA1, desde que outras formas de LTP no hipocampo não são afetadas .

 

 

 

ESTUDOS DE APRENDIZADO E MEMÓRIA EM HUMANOS

           

Nas seções anteriores deste texto, nós identificamos eventos moleculares chave na formação do aprendizado e memória em invertebrados e vertebrados subprimatas. Nós vimos a importância da síntese de proteínas na formação da memória de longo tempo e também a papel de sinais bioquímicos intracelulares e intranucleares. Estudos das bases biológicas da formação do aprendizado em humanos têm sido até então confinados  à inferências comportamentais. Além disso, muito tem se observado em deficientes comportamentais com trauma no cérebro, incluindo aqueles produzidos por procedimentos cirúrgicos necessários em tratamentos de epilepsia. Com base nos estudos destes pacientes e em macacos foi feita uma classificação da memória em declarativa, ou explicita, e não-declarativa, ou implicita. A memória explicita em humanos ocorre com fatos, tempos e locais específicos e requer o hipocampo e regiões corticais associadas. A memória implicita incluí aquisições de habilidades que nós normalmente não concientizamos, como por exemplo dirigir bicicleta. Este tipo de memória parece ser formada em uma variedade de locais no cérebro e pode ser tarefa-específica. O cerebelo e o neocortex estão entre as regiões implicitas do cérebro. Estas categorias tem se extendido à outras espécies e tarefas. Por exemplo, o aprendizado de um rato em um labirinto de água é considerado explicito com base na especificidade espacial da tarefa e sua dependência do hipocampo.

           

 

Correlações metabólicas de comportamento podem ser visualizadas com estratégias não-invasivas ao cérebro

 

            Mais recentemente, técnicas não-invasivas tem tornado possível a investigação de correlações metabólicas de aprendizado e memória no cérebro de humano. O aumento regional da atividade metabólica é acompanhada pelo aumento do fluxo sangüíneo na região do cérebro (CBF), permitindo o uso de tomografia computadorizada (PET). Uma sonda em particular é muito útil, a [15O] H2O. Sua entrada no cérebro é limitada e depende do CBF (fig 50-6). fMRI também promete ser muito útil em mais estudos cognitivos. Ele é baseado em uma técnica dependente do nível de oxigenação (BOLD). A desoxihemoglobina tem um sinal paramagnético muito forte, ao contrário da oxihemoglobina. Acredita-se que o estimulo do CBF associado com o crescimento do metabolismo secundário local para aumentar a atividade dos nervos leva à um crescimento da oxihemoglobina e consequente diminuição da desoxihemoglobina. Este resultado leva à um sinal elevado de BOLD. Enquanto o fMRI tem uma melhor resolução comparado ao PET, o fator limitante destas técnicas não-invasivas é o atraso fisiológico entre a estimulação do nervo e o aumento do CBF, que parece ter muitos segundos.

 

            A técnica do Sokoloff deoxiglicose tem sido útil na elucidação de mudanças regionais no metabolismo do cérebro, mas não tem sido muito usada em estudos de memória. Uma possível solução para experimetos animais é o uso de  marcação dupla, onde a radioatividade de cada uma das formas isotípicas da deoxiglicose podem ser analizadas em uma mesma autoradiografia.

 

 

 

PERGUNTAS RESTANTES E DIREÇÕES FUTURAS

 

            Nós avançamos, nos últimos anos, da implicação de sínteses macromoleculares na formação da memória de longa duração para supostos sistemas de mensagens que podem mediar esta. O que é então a base molecular para a formação da memória curta , ou, aprendizado? Processos pós-traducionais como a fosforilação podem alterar as propriedades sinápticas por minutos à horas. Tem sido proposto que existem vários estágios na formação da memória curta , como por exemplo a manutenção de gradientes de íons. Comportamentos metabólicos oscilatórios são modelos candidatos para estudos de sinais iniciadores e reações bioquímicas.

 

            É importante neste ponto distinguir “memória’ de “memórias”. Apesar de existirem evidências consideráveis de que regiões específicas do cérebro de mamífero, como hipocampo e amidala, funcionam como formadoras de memórias, também é fato que memórias, uma vez formadas, são estocadas fora destas regiões do cérebro. Assim, aproximações que procuram as regiões do cérebro no qual a correlação metabólica da memória está localizada, não procuram por um locus específico de memória, mas por um local de processos fixadores, ou impressores de memórias de diferentes experiências.

 

            Além disso, enquanto as descobertas científicas evocam um mecanismo único para a formação da memória, é claro que muitos tipos de memória tem evoluído de pressões seletivas. “Bait-Shyness” é um bom exemplo. Esta é um tipo especial de memória onde uma substância tóxica ingerida resulta em uma evitação desta, sendo vantagem para o animal. O tempo entre a ingestão da comida envenenada e o mal estar pode levar horas, indicando um grande intervalo CS-US que é compatível com muitas outras formas de condicionamento.

 

 


 


 


Figura 50-6. A: Imagem de um cérebro funcional. Comparação da imagem de ressonância magnética (fMRI) e varredura com [15O]H2O do cérebro humano durante estimulação visual. No fMRI, a região colorida representa aumento nos sinais paramagnéticos de oxihemoglobina. A imagem da direita são emissões de tomografia injetadas também com [15O]H2O e expostas aos mesmos estímulos visuais. A radioatividade emitida foi localizada tomograficamente por um varredor PET. As cores representam diferenças quantitativas. B: Imagens PET de uma tarefa memorizada. Varredura com [15O]H2O em cérebros humanos durante a realização de duas tarefas, uma espacial e outra verbal. A escala de cores representa diferenças quantitativas no CBF associado com aumento do metabolismo local. Nas duas tarefas, caracteres alfabéticos aparecem em diferentes localizações espaciais uma vez a cada 3 segundos. Para ambas tarefas espaciais e verbais, controles apropriados foram feitos, pode ser visto na tarefa espacial leva à um grande aumento do CBF no cortex pré-frontal dorsolateral direito e em regiões direitas pré-motoras, enquanto a tarefa verbal é mais lateralizada, com grandes aumentos no cortex pré-frontal dorsolateral esquerdo e região da broca.

 

 

A formação e estocagem da memória humana pode ser potencializada?

 

            Doenças neurológicas e psiquiátricas são associadas com defeitos específicos de comportamento  que seletivamente afetam a memória e o aprendizado. A idéia de que agentes farmacológicos poderiam potencializar a memória tem, por muito tempo, intrigado neurofarmacologistas, sendo que agentes efetivos ainda não foram descritos. Muitos programas de pesquisa voltados para estes tipos de ativadores tem usado animais onde a deficiência causada  por um agente é revertida pela droga teste. Mais recentemente, pesquisas de genética molecular tem se tornado mais freqüentes, produzindo drogas baseadas no CREB. Evidências da participação de proteínas CREB na consolidação de tarefas espaciais de memória no hipocampo de rato podem levar à inferências nos estudos de invertebrados e LTP. Devidos aos nossos avanços recentes neste conhecimento, este campo de investigação vai ser freqüente na próxima década.

 

 

 

Perguntas

 

1.       Como foi mostrado, em goldfish, a aquisição de memórias de curta e longa duração? Responda baseando-se nos resultados de experimentos mostrados nas figuras 50.1B e C.

2.       A investigação de aprendizagem e memória no comportamento de animais intactos geralmente envolve estratégias interventivas ou correlativas. O que são estas estratégias? Qual as vantagens/desvantagens de cada uma delas?

3.       Como se acredita que sejam armazenadas as memórias de curta e longa duração? Qual a diferença na forma como essas memórias são guardadas?

4.       Qual a diferença entre os ambientes pobres e ricos onde se estuda o desenvolvimento do cérebro de ratos? Qual a diferença nos cérebros dos ratos que passaram sua vida num ambiente rico e daqueles que passaram sua vida em ambiente pobre?

5.       Quais as diferenças observadas no cérebro de animais que são submetidos a condições de treinamento repetitivo ou de aprendizado de novas tarefas?

6.       Quais os exemplos de habituação, sensibilização e condicionamento clássico mostrados no texto para experimentos em Aplysia?

7.       Qual o efeito da liberação de serotonina nos terminais axo-axônicos? Responda com base na figura 50.3B.

 

8- Quais os motivos que levaram os cientistas à escolherem a Drosophila como modelo de estudos de aprendizado e memória?

9-       Cite e comente algumas mutações presentes em Drosophila, mostrando também como estas foram selecionadas?

10-   O que é LTP e qual é seu objetivo? Qual o neurotransmissor mais atuante neste fenômeno?

11-   Qual é o envolvimento de BNDF na plasticidade do LTP?

12-   Comente as técnicas não-invasivas usadas nos estudos de estímulos metabólicos em cérebros humanos, comparando-as (fMRI e PET)? Quais são seus fundamentos?