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

Como o cérebro humano armazena informações temporariamente sem perdê-las? Neurocientistas descobriram que os neurônios dos lobos frontal e temporal trabalham juntos para reter informações na memória de trabalho.

A memória de trabalho é um processo cognitivo 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 trabalho 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 cognitivo central tenha sido há muito tempo tema de intenso interesse e investigação por parte de neurocientistas, a forma como o cérebro humano gerencia a informação sobre itens armazenados na memória de trabalho permanece pouco compreendida.

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

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

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“Identificamos pela primeira vez um grupo de neurônios, influenciados por dois tipos de ondas cerebrais, que coordenam o controle cognitivo 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 neurônios não contêm nem armazenam informações, mas são cruciais para o armazenamento de memórias de curto prazo”.

A memória de trabalho, que exige que o cérebro 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 sênior do estudo. Ela pode ser afetada por diferentes doenças e condições.

“Em distúrbios como a doença de Alzheimer 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 trabalho será fundamental para o desenvolvimento de novos tratamentos para estas e outras condições neurológicas”.

Para explorar como funciona a memória de trabalho, 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 epilepsia. A equipe registrou a atividade de células cerebrais individuais e ondas cerebrais enquanto os pacientes realizavam uma tarefa que exigia o uso da memória de trabalho.

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

Os neurônios PAC, recentemente identificados neste estudo, não contêm nenhum conteúdo, mas usam um processo chamado acoplamento fase-amplitude para garantir que os neurônios de categoria foquem e armazenem o conteúdo que adquiriram. Os neurônios PAC disparam em sincronia com as ondas teta do cérebro, 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 neurônios de categoria, que também disparam em sincronia com as ondas gama do cérebro, melhorando a capacidade dos pacientes de recordar informações armazenadas na memória de trabalho.

“Imagine que quando o paciente vê a foto de um cachorro, seus neurônios de categoria começam a disparar ‘cachorro, cachorro, cachorro’ enquanto os neurônios PAC disparam ‘foco/lembrar’”, disse Rutishauser. “Através do acoplamento fase-amplitude, os dois grupos de neurônios 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 neurônios PAC, coordena os vários músicos para atuarem em harmonia.”

Os neurônios PAC fazem esse trabalho no hipocampo, uma parte do cérebro que há muito se sabe ser importante para a memória de longo prazo. Este estudo oferece a primeira confirmação de que o hipocampo também desempenha um papel no controle da memória de trabalho, 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 cérebro 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 neurônios apoiam o modo como as memórias são armazenadas no cérebro – um processo que está longe de ser compreendido em distúrbios cerebrais devastadores, como a doença de Alzheimer e outras demências.”

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

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

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

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

Esses resultados suportam uma arquitetura multicomponente de memória de trabalho, com controle frontal gerenciando a manutenção do conteúdo da memória de trabalho em áreas relacionadas ao armazenamento. Dentro desta estrutura, o TG-PAC do hipocampo integra o controle cognitivo e o armazenamento da memória de trabalho em todas as áreas do cérebro, 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.