O cérebro humano contém cerca de 86 mil milhões de neurónios, e durante décadas os cientistas assumiram que estas células são os principais impulsionadores da memória e da cognição. No entanto, um novo estudo realizado por investigadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) sugere que outro tipo de célula cerebral, há muito considerada pouco mais do que tecido de suporte, pode desempenhar um papel muito maior do que se acreditava anteriormente. Os investigadores propõem que os astrócitos, células em forma de estrela encontradas em todo o cérebro, poderiam ajudar a explicar a notável capacidade de memória do cérebro e a superar as limitações encontradas nas teorias tradicionais de armazenamento de memória. As descobertas foram publicadas na revista Proceedings of the Nationwide Academy of Sciences.
Por que os cientistas do MIT estão repensando as células de suporte do cérebro
Os astrócitos estão entre as células mais abundantes do cérebro humano, com números que correspondem aproximadamente aos dos neurônios. Apesar de sua prevalência, elas têm sido tradicionalmente vistas como células de suporte responsáveis pela manutenção do ambiente do cérebro e pela assistência aos neurônios, em vez de processar informações ativamente.A equipe do MIT argumenta que esta visão pode estar incompleta. A sua investigação sugere que os astrócitos poderiam participar diretamente na computação e no armazenamento da memória, potencialmente ajudando o cérebro a armazenar significativamente mais informação do que os modelos apenas de neurónios permitem.O autor principal, Leo Kozachkov, trabalhou ao lado de Jean-Jacques Slotine, professor de engenharia mecânica e ciências cerebrais e cognitivas no MIT, e Dmitry Krotov do MIT-IBM Watson AI Lab para desenvolver a nova teoria.Muitas teorias modernas de armazenamento de memória são baseadas em modelos de redes neurais conhecidos como redes Hopfield. Esses sistemas armazenam memórias como padrões distribuídos pelas conexões entre os neurônios.Embora eficazes para explicar alguns aspectos da memória, as redes de Hopfield enfrentam uma limitação importante: elas só podem armazenar um número finito de padrões antes que as memórias comecem a interferir umas nas outras.Posteriormente, os pesquisadores desenvolveram modelos mais avançados chamados memórias associativas densas, que podem armazenar quantidades muito maiores de informações. No entanto, estes modelos requerem interações de ordem superior envolvendo mais de dois neurônios ao mesmo tempo, algo que as sinapses convencionais não fornecem naturalmente.Isto deixou os cientistas à procura de um mecanismo biológico capaz de suportar um armazenamento de memória tão complexo.
Como os astrócitos podem resolver o quebra-cabeça
Os pesquisadores do MIT acreditam que os astrócitos poderiam fornecer esse mecanismo que faltava.Ao contrário dos neurônios, os astrócitos não se comunicam por meio de impulsos elétricos. Em vez disso, utilizam sinalização à base de cálcio e podem libertar mensageiros químicos conhecidos como gliotransmissores.Cada astrócito estende milhares de processos finos que podem envolver sinapses individuais, criando estruturas conhecidas como sinapses tripartidas. Estes envolvem três componentes: o neurônio pré-sináptico, o neurônio pós-sináptico e o processo astrocitário.De acordo com o novo modelo, estas ligações de três vias podem funcionar como unidades computacionais em vez de simples estruturas de suporte. Ao participar na comunicação entre os neurônios, os astrócitos poderiam criar as interações de ordem superior necessárias para uma memória associativa densa.
O que o modelo sugere sobre a capacidade de memória
Uma das implicações mais intrigantes do estudo diz respeito aos limites de armazenamento de memória.Os modelos tradicionais de redes neurais eventualmente atingem um limite onde memórias adicionais se tornam difíceis de armazenar ou recuperar com precisão. O modelo do MIT sugere que as redes neurônios-astrócitos podem não enfrentar a mesma restrição.Em vez disso, a quantidade de informação que pode ser armazenada parece crescer com o tamanho da própria rede. Em teoria, isto significa que a capacidade de memória poderia tornar-se muito maior do que o previsto pelos modelos apenas de neurônios.Os pesquisadores enfatizam que isso não implica memória infinita. Em vez disso, sugere que o cérebro pode possuir uma arquitetura de armazenamento capaz de suportar um número muito maior de memórias do que se pensava anteriormente.
Evidências crescentes de que os astrócitos desempenham um papel ativo
Pesquisas recentes em neurociência têm apontado cada vez mais para um papel mais ativo dos astrócitos.Estudos demonstraram que a interrupção das conexões entre astrócitos e neurônios no hipocampo pode prejudicar a formação e recuperação da memória. Os avanços na tecnologia de imagem de cálcio também permitiram aos cientistas observar a coordenação da atividade dos astrócitos ao lado dos neurônios em tempo actual.Estas descobertas não provam a hipótese do MIT, mas apoiam a ideia mais ampla de que os astrócitos estão envolvidos no processamento de informação, em vez de simplesmente na manutenção da infra-estrutura neural.Como observou Slotine, não há razão para que a evolução não tenha explorado a capacidade dos astrócitos de se conectarem com centenas de milhares de sinapses para fins computacionais.Apesar do entusiasmo em torno do estudo, os investigadores sublinham que o seu trabalho é atualmente um modelo matemático e não uma prova experimental. O mecanismo proposto ainda não foi observado diretamente em cérebros vivos, e experimentos futuros serão necessários para determinar se os astrócitos realizam o tipo de cálculos relacionados à memória sugeridos pelo modelo.Krotov expressou esperança de que o estudo encoraje os neurocientistas experimentais a investigar mais a fundo a hipótese. Tais testes serão essenciais antes que a teoria possa ser aceita como uma descrição precisa de como a memória funciona no cérebro.
O que isso pode significar para a neurociência
Se experiências futuras apoiarem o modelo, as implicações poderão ser significativas. Os neurocientistas podem precisar repensar um dos pressupostos mais básicos da área: que a sinapse entre dois neurônios é a unidade basic de armazenamento da memória.Em vez disso, a memória poderia depender de um sistema mais complexo envolvendo neurônios e astrócitos trabalhando juntos. Tal descoberta não derrubaria o conhecimento existente sobre o cérebro, mas poderia expandi-lo substancialmente.
