Como o cérebro constrói mapas para navegar e se lembrar do mundo?

O cérebro cria "mapas" internos para nos ajudar a navegar e aprender com o ambiente, mas como esses mapas se formam continua sendo um desafio para entender. No entanto, um novo estudo ofereceu uma nova perspectiva sobre como as informações espaciais e experienciais são codificadas no hipocampo, uma região cerebral essencial para navegação e memória.

O estudo publicado na Neuron revela que dois tipos de neurônios hipocampais trabalham complementarmente em camundongos para gerar mapas espaciais que são mais sofisticados e adaptáveis ​​do que se pensava anteriormente. As descobertas abrem novos caminhos para entender como o cérebro processa e representa informações espaciais, e podem ter implicações para o desenvolvimento futuro de tratamentos para distúrbios neurológicos relacionados à memória e orientação, como na doença de Alzheimer.

Os pesquisadores descobriram que duas subpopulações distintas de neurônios piramidais, classificadas como superficiais e profundas com base em sua localização no hipocampo, respondem de forma diferente durante o movimento e a rotação, permitindo que o cérebro gere representações geométricas complementares.

O estudo mostrou que neurônios piramidais profundos respondem a mudanças locais, como a posição de móveis em uma sala. Em contraste, neurônios piramidais superficiais mantêm uma representação espacial mais estável, focada em características globais como a orientação de janelas ou portas. Essa estabilidade é crucial para manter uma referência consistente do ambiente.

Este estudo se baseia em pesquisa reconhecida com o Prêmio Nobel de 2014 concedido a May-Britt e Edvard Moser, juntamente com John O'Keefe, por suas descobertas sobre células de lugar e grade, que formam a base do sistema de posicionamento do cérebro. As descobertas de Liset M. de la Prida expandem essas descobertas, oferecendo uma compreensão mais profunda de como o hipocampo codifica e processa informações espaciais integrando diferentes quadros de referência.

Para estudar essas representações, a equipe usou corredores simples semelhantes a labirintos com dicas visuais e táteis, onde os ratos podiam correr para frente e para trás. Eles descobriram que os neurônios da camada profunda estavam mais sintonizados com o espaço, a velocidade e a direção do movimento do que os neurônios da camada superficial. Curiosamente, os neurônios profundos responderam a marcos próximos, enquanto os neurônios superficiais estavam mais sintonizados com dicas visuais no ambiente mais amplo da sala.

"Os neurônios do hipocampo criam representações espaciais abstratas que agem como um mapa, permitindo orientação e memória de experiências passadas. Até agora, não estava claro como diferentes tipos de neurônios contribuíram para esses mapas abstratos, pois essas representações emergem da atividade coletiva. É como tentar determinar quais músicos em uma orquestra são responsáveis ​​pelo ritmo e quais pela melodia — embora todos contribuam, alguns desempenham papéis importantes no resultado final", diz Liset M. de la Prida.

O avanço foi possível graças a técnicas avançadas de imagem que permitem a visualização simultânea de centenas de neurônios de cada tipo. "Usamos dois sensores de cores diferentes para rastrear a atividade de células superficiais e profundas em tempo real", explica Juan Pablo Quintanilla, o coautor responsável por esses experimentos. Essa técnica de imagem celular microendoscópica foi estabelecida pela primeira vez na Espanha no Centro de Neurociências Cajal do Conselho Nacional de Pesquisa Espanhol (CSIC).

Outra inovação fundamental do estudo foi o uso de métodos topológicos — um ramo da matemática que estuda as propriedades de objetos geométricos — para decodificar a estrutura desses mapas neuronais abstratos. Conforme os camundongos exploravam os corredores, os mapas hipocampais formados pela atividade de centenas de neurônios de cada subpopulação tomaram a forma de anéis tridimensionais.

Quando o ambiente muda — como depois de reorganizar móveis em uma sala — neurônios piramidais profundos e superficiais reagem de forma diferente. Isso permite que o cérebro atualize seu mapa espacial enquanto preserva informações coerentes e flexíveis sobre localização e orientação, apesar de mudanças externas.

Essas diferentes representações espaciais (local versus global) coexistem em paralelo dentro do hipocampo. Essa capacidade de manter múltiplos quadros de referência simultaneamente é uma característica notável dos mapas cognitivos.

"Os mapas gerados por essas duas subpopulações neuronais são interligados, representando informações globais (por exemplo, a sala) e locais (por exemplo, os móveis)", explica Julio Esparza, engenheiro biomédico responsável pelas análises topológicas.

Para testar essa flexibilidade, os pesquisadores usaram quimiogenética para "silenciar" temporariamente tipos específicos de células. "Descobrimos que podíamos girar os mapas espaciais internos e reorientar os anéis silenciando seletivamente neurônios superficiais ou profundos", explica Esparza.

A capacidade do cérebro de criar mapas mentais pode ser usada para melhorar a memória, como na técnica do "palácio da memória". Esse método ajuda as pessoas a lembrarem de informações imaginando lugares familiares, como sua casa ou vizinhança, e colocando mentalmente ideias em diferentes pontos para torná-las mais fáceis de lembrar.

As descobertas da equipe do CSIC abrem novos caminhos para entender como o cérebro processa e representa informações espaciais e podem ter implicações no desenvolvimento de futuros tratamentos para distúrbios neurológicos relacionados à memória, como a doença de Alzheimer.