Sempre se pensou que a aprendizagem associativa era regulada pelo córtex cerebral, muitas vezes referido como o “pequeno cérebro”. No entanto, uma nova investigação resultante de uma colaboração entre o Instituto Holandês de Neurociências, o Erasmus MC e a Fundação Champalimaud mostra que de facto os núcleos do cerebelo dão um contributo surpreendente para este processo de aprendizagem.

Se uma xícara de chá estiver fumegante, espere um pouco mais antes de beber. E se seus dedos ficarem presos na porta, tome mais cuidado na próxima vez. Estas são formas de aprendizagem associativa em que uma experiência positiva ou negativa leva ao comportamento de aprendizagem. Sabemos que nosso cerebelo é importante nesta forma de aprendizagem. Mas como exatamente isso funciona?

Para investigar este problema, uma equipa internacional de investigadores na Holanda e em Portugal, composta por Robin Broersen, Catarina Albergaria, Daniela Carulli e Megan Carey, Cathrin Canto e Chris de Zeeuw como autores principais, examinou o cerebelo de ratos. Os pesquisadores treinaram os ratos com dois estímulos diferentes: um breve flash de luz, seguido por uma suave lufada de ar nos olhos. Com o tempo, os ratos aprenderam que havia uma conexão entre os dois, fazendo com que fechassem os olhos preventivamente ao verem o flash de luz. Este paradigma comportamental tem sido utilizado há muitos anos para estudar o funcionamento do cerebelo.

Centro de distribuição

Se você observar o cerebelo, poderá distinguir duas partes principais: o córtex cerebelar, ou a camada externa do cerebelo, e os núcleos cerebelares, a parte interna. Essas partes estão conectadas entre si. Os núcleos são grupos de células cerebrais que recebem todo tipo de informação do córtex cerebral. Esses núcleos, por sua vez, têm conexões com outras áreas do cérebro que controlam diretamente os músculos, incluindo a pálpebra. Essencialmente, os núcleos são o centro de saída do cerebelo.

De acordo com Robin Broersen: “O córtex cerebelar tem sido considerado há muito tempo o ator mais importante na aprendizagem do reflexo e do momento do fechamento das pálpebras.” Com este estudo, mostramos que o fechamento oportuno das pálpebras também pode ser regulado pelos núcleos cerebelares. As equipes trabalharam em temas de pesquisa semelhantes e, reconhecendo a sinergia do nosso trabalho, decidimos lançar uma colaboração internacional que resultou neste artigo.”

O cerebelo é influenciado por outras regiões do cérebro através de diferentes conexões, as chamadas fibras musgosas e fibras trepadeiras. No experimento descrito acima, presume-se que as fibras musgosas transmitem informações da luz e que as fibras trepadeiras transmitem informações sobre o sopro de ar. Essa informação então converge no córtex cerebral e nos núcleos do cerebelo. A equipa holandesa examinou o efeito da aprendizagem associativa nestas ligações aos núcleos e descobriu que as fibras musgosas tinham feito ligações mais fortes aos núcleos nos ratos que apresentavam aprendizagem associativa.

Ativação com luz

Entretanto, a equipa portuguesa testou a capacidade de aprendizagem dos núcleos cerebelares através da optogenética – um método que utiliza luz para controlar as células. Catarina Albergaria: “Em vez de usarmos um flash de luz normal para treinar ratos, estimulámos as conexões cerebrais diretamente com a luz, combinando-a com um sopro de ar nos olhos.” Isto fez com que os ratos fechassem as pálpebras no momento certo, o que mostra que os núcleos cerebelares podem apoiar a aprendizagem oportuna. “Para garantir que esse aprendizado realmente ocorra nos núcleos, repetimos os experimentos em camundongos com córtex cerebelar inativado.”

Cathrin Canto acrescenta ainda: “Durante a aprendizagem, as ligações entre as células cerebrais mudam.” No entanto, não estava claro onde essas mudanças ocorriam no cerebelo. Examinamos o que acontece com as entradas das fibras musgosas e outras entradas dos núcleos cerebelares durante o aprendizado. Descobrimos que nos ratos que aprenderam – mas não naqueles que não aprenderam – as ligações das fibras musgosas aos núcleos tornaram-se mais fortes.”

Estado da arte

Canto continua: “Também visualizamos o que estava acontecendo dentro da célula fazendo medições elétricas nas células nucleares de um camundongo vivo.” Você pode imaginar que essas células são muito pequenas, de 10 a 20 µm. Isso é menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano. Usando um tubo ultrafino com um eletrodo, conseguimos registrar a atividade elétrica dentro das células enquanto o mouse realizava essa tarefa – um enorme desafio técnico.”

“Em animais treinados, a exposição à luz levou a uma mudança na atividade elétrica dentro dos núcleos das células: quanto mais perto você chegava da explosão de ar, mais ativas as células se tornavam.” “Essencialmente, as células estavam preparadas para o que estava por vir e foram, portanto, capazes de controlar sua atividade elétrica com precisão suficiente para controlar a pálpebra antes mesmo de a tração ocorrer”.

Do rato ao humano

Broersen observa: “Embora esta pesquisa utilize camundongos, a anatomia geral do cerebelo é semelhante em camundongos e humanos.” Embora os humanos tenham muito mais células, assumimos que as conexões entre as células são organizadas da mesma maneira. Nossos resultados contribuem para uma melhor compreensão de como funciona o cerebelo e o que acontece durante o processo de aprendizagem. Isto também leva a mais informações sobre como os danos ao cerebelo afetam a função, o que poderá ajudar os pacientes no futuro. “Ao estimular as conexões com os núcleos usando estimulação cerebral profunda, novas habilidades motoras poderiam ser aprendidas.”

Referência: Broersen R, Albergaria C, Carulli D, Carey MR, Canto CB, De Zeeuw CI. Mecanismos sinápticos para aprendizagem associativa nos núcleos cerebelares. Comunicação Nacional. 2023;14(1):7459. faça: 10.1038/s41467-023-43227-w

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