O cérebro: um órgão complexo

É no cérebro que são processadas as informações sobre tudo o que sentimos, pensamos e fazemos. Há milhares de anos, cientistas e filósofos tentam entender o seu funcionamento, e como nossos sentidos nos permitem compreender o mundo ao nosso redor. Hoje, sabemos que o cérebro funciona por meio de células nervosas, chamadas neurônios, que enviam mensagens na forma de sinais elétricos. O local onde dois neurônios se conectam para enviar e receber mensagens é chamado de sinapse, que é o local de conexão entre dois neurônios, onde ocorre a transferência de sinais elétricos.

No laboratório, podemos observar diversas áreas do cérebro e até mesmo medir sua atividade elétrica. Mas ainda não compreendemos por completo o modo como a atividade dos neurônios representa o mundo ao nosso redor. Por exemplo, como o cérebro consegue determinar a direção e a velocidade de um carro em movimento? Como ele distingue as letras A e B?

Uma das razões pelas quais é difícil para os pesquisadores compreenderem a atividade cerebral é que o cérebro possui um número enorme de neurônios. Cada neurônio pode enviar e receber sinais elétricos de e para milhares de outros neurônios, o que torna a compreensão da atividade neuronal extremamente complexa. Por esse motivo, os cientistas às vezes se concentram em pequenos grupos de neurônios, chamados redes neurais. Ao aprender como as redes neurais funcionam, os pesquisadores podem entender mais sobre o cérebro como um todo.

As células da retina têm papéis específicos

Em nosso laboratório, estudamos a visão e  investigamos as respostas do cérebro às coisas que vemos ao nosso redor. Pesquisamos a retina, a fina camada transparente de células nervosas sensíveis à luz na parte posterior interna do globo ocular.

A retina converte a luz em sinais elétricos que são enviados ao córtex visual, que age como a “primeira parada” da visão. A retina, uma fina camada de neurônios localizada na parte posterior do globo ocular, é, na verdade, uma parte do cérebro (Figura 1A).

Quais tipos de células compõem a retina, e como elas trabalham juntas para permitir a visão? A primeira camada da retina contém células sensíveis à luz, chamadas fotorreceptores, um tipo especial de células neuronais que podem converter luz em sinais elétricos. (Figura 1B). Quando um feixe de luz atinge os fotorreceptores, uma sequência de reações bioquímicas causa uma reação elétrica. Assim, os fotorreceptores transformam a luz em sinais elétricos.

Os sinais elétricos são então passados ​​para a segunda camada da retina, composta por interneurônios, neurônios que transferem informações entre células dentro da mesma rede neural, como a retina, e de lá para a última camada, onde estão localizadas as células ganglionares. As células ganglionares enviam longas projeções, chamadas axônios, para o interior do cérebro. Esses axônios carregam mensagens elétricas para as partes do cérebro que processam sinais visuais, informando-as sobre o que o olho está vendo.

Existem vários tipos de células ganglionares, cada uma com sua própria função [1]. Por exemplo, existem células ganglionares que respondem ao início da luz (chamadas células ganglionares ativas, ou ligadas), algumas que respondem ao fim da luz (chamadas células ganglionares inativas, ou desligadas) e até mesmo algumas que respondem ao movimento em uma determinada direção (chamada de direção preferencial, Figura 1C). Células deste último tipo são chamadas de células ganglionares seletivas de direção, um tipo de célula ganglionar na retina que responde apenas quando há movimento em uma determinada direção no campo visual.

Por exemplo, existem células ganglionares seletivas de direção que respondem apenas quando vemos algo se movendo para a direita. Essas células enviam sinais elétricos ao cérebro em resposta a um carro passando à nossa frente da esquerda para a direita (Figura 1C), ou se estivermos assistindo a uma partida de tênis e a bola vier da nossa esquerda para a direita. Mas se o carro virar e seguir para a esquerda, ou se o jogador de tênis rebater a bola de volta para o jogador à nossa esquerda, essas mesmas células não responderão. Em vez disso, existem outras células ganglionares que respondem ao movimento para a esquerda e outras ainda que respondem a movimentos para cima e para baixo.

As conexões entre células da retina determinam suas respostas

Como as células ganglionares podem agir de maneiras tão diferentes e específicas? A resposta está nos interneurônios que transmitem sinais elétricos dos fotorreceptores para as células ganglionares. Existem mais de 60 tipos diferentes de interneurônios, e a resposta de uma célula ganglionar depende do tipo de interneurônio que se conecta a ela. A conectividade entre o interneurônio e a célula ganglionar — como sua localização, sua força e assim por diante — determina a resposta da célula ganglionar.

Por exemplo, como as células ganglionares seletivas de direção sabem em qual direção responder? Estudos descobriram que um tipo de interneurônio chamado célula amácrina em estrela (interneurônios da retina, considerados os principais responsáveis ​​pela codificação da seletividade de direção, conectando-se assimetricamente às células ganglionares seletivas de direção em um dos lados) auxilia a célula ganglionar a fazer isso. As células amácrinas em estrela (starburst) conectam-se às células ganglionares seletivas de direção em apenas um lado. Por exemplo, uma célula ganglionar que recebe conexões de uma célula amácrina em estrela à sua direita responderá ao movimento para a direita (Figura 2).

Essa conectividade unilateral permite que as células ganglionares seletivas à direção respondam quando o movimento ocorre em uma direção, mas não quando ocorre na direção oposta. É assim que as células ganglionares da retina enviam informações complexas ao cérebro sobre o que o olho está vendo.

A retina como modelo para o resto do cérebro

 A retina, assim como as células que compõem o restante do cérebro, é composta por neurônios conectados por sinapses. Como mencionado antes, a maioria das áreas cerebrais possui conexões complexas entre neurônios, que são difíceis de estudar. A retina também exibe uma riqueza de conexões precisas entre vários tipos de células, mas sua estrutura organizada e em camadas ajuda os pesquisadores a compreender essas conexões e como elas moldam as respostas dos neurônios da retina aos estímulos visuais. Portanto, a retina é mais fácil de pesquisar e compreender em comparação com o restante do cérebro. Podemos usar a retina para nos ajudar a entender outras partes do cérebro, apesar de sua relativa simplicidade?

Tomemos como exemplo o córtex visual — uma parte do córtex cerebral (a camada externa do cérebro dos mamíferos) que processa informações visuais. O córtex visual faz parte do córtex cerebral (Figura 1A), que é a camada externa do cérebro — a maior parte do encéfalo, onde ocorre o processamento mais complexo. Esse processamento complexo é possível devido ao enorme número de neurônios do córtex, que se conectam uns aos outros de maneiras intrincadas e complexas, e que podem exibir vários tipos de respostas. Alguns desses neurônios são semelhantes às células da retina. Por exemplo, tanto na retina quanto no córtex visual, existem células que respondem ao início ou ao fim da luz, bem como células seletivas à direção.

Durante muitos anos, os cientistas acreditaram que o córtex visual era muito diferente da retina, porque as células do córtex visual podem adaptar e alterar suas respostas de acordo com o que o animal viu anteriormente. Por exemplo, uma célula seletiva à direção no córtex visual tem uma determinada direção preferencial, mas se exposta a estímulos de movimento repetidos (como listras brancas e pretas em movimento — veja o exemplo na Figura 3A), sua direção preferencial pode ser ligeiramente alterada e reorientada.

Acreditava-se que, diferentemente do córtex, as células retinianas seletivas à direção não podiam alterar sua direção preferencial. Isso porque se supõe que as respostas na retina dependam das conexões entre as células retinianas seletivas à direção e as células amácrinas em estrela. Portanto, foi muito surpreendente descobrir que as células da retina podem alterar suas respostas [2].

Em nossa pesquisa, expusemos a retina a uma estimulação visual repetitiva (Figura 3A) por vários minutos. Após algum tempo, os interneurônios ligados pararam de responder ao início da luz e começaram a responder ao término da luz, como os interneurônios desligados (Figura 3A) [3].

Para nossa surpresa, também descobrimos que, quando as células ganglionares seletivas à direção eram expostas a um estímulo repetitivo por vários minutos, essas células conseguiam alterar sua direção preferencial (Figura 3B) [4].

Resumo

Descobrimos que as células da retina, assim como as células do córtex cerebral, podem alterar a forma como respondem aos estímulos visuais. Após identificarmos essas alterações, questionamos: o que permite que as células da retina alterem suas respostas de forma tão drástica?

Utilizamos técnicas sofisticadas que nos permitem revelar as entradas para as células amácrinas em estrela e para as células ganglionares seletivas à direção. Descobrimos que pequenas diferenças na temporização das entradas para as células ganglionares seletivas à direção podem causar mudanças drásticas em suas respostas gerais e inverter sua preferência direcional [5]. O córtex cerebral é complexo e difícil de estudar, portanto, aprender sobre as células da retina pode nos ajudar a compreender como as células do córtex cerebral funcionam.

Nossas descobertas podem nos ajudar a compreender os mecanismos neurais em outras áreas do cérebro e podem levar à resposta de uma questão central na pesquisa cerebral: “O que acontece em nossos cérebros quando aprendemos e mudamos?”

Glossário

Sinapse: O local de conexão entre dois neurônios, onde ocorre a transferência de sinais elétricos.

Retina: A fina camada transparente de células nervosas fotossensíveis localizada na parte posterior e interna do globo ocular. A retina converte a luz em sinais elétricos que são enviados ao córtex visual.

Fotorreceptores: Um tipo especial de célula neuronal capaz de converter luz em sinais elétricos.

Interneurônios: Neurônios que transferem informações entre células dentro da mesma rede neural, como a retina.

Células ganglionares: As células da retina que enviam sinais elétricos sobre o que está sendo visto da retina para o cérebro.

Células ganglionares direcionais: Um tipo de célula ganglionar na retina que responde apenas quando há movimento em uma determinada direção no campo visual.

Células Amácrinas em Estrela: Interneurônios da retina considerados fundamentais na codificação da seletividade direcional, conectando-se assimetricamente às células ganglionares seletivas à direção em um dos lados.

Córtex Visual: Parte do córtex cerebral (a camada externa do cérebro dos mamíferos) que processa informações visuais.

Referências

[1] Baden. T., Berens, P., Franke, K., Román Rosón, M., Bethge, M., e Euler, T. 2016. The functional diversity of retinal ganglion cells in the mouse. Nature 529:345–50. doi: 10.1038/nature16468

[2] Rivlin-Etzion, M., Grimes, W. N., e Rieke, F. 2018. Flexible neural hardware supports dynamic computations in retina. Trends Neurosci. 41:224–37. doi: 10.1016/j.tins.2018.01.009

[3] Vlasits, A. L., Bos, R., Morrie, R. D., Fortuny, C., Flannery, J. G., Feller, M. B., et al. 2014. Visual stimulation switches the polarity of excitatory input to starburst amacrine cells. Neuron 83, 1172–84. doi: 10.1016/j.neuron.2014.07.037

[4] Rivlin-Etzion, M., Wei, W., e Feller, M. B. 2012. Visual stimulation reverses the directional preference of direction-selective retinal ganglion cells. Neuron 76:518–25. doi: 10.1016/j.neuron.2012.08.041

[5] Ankri, L., Ezra-Tsur, E., Maimon, S. R., Kaushansky, N., e Rivlin-Etzion, M. 2020. Antagonistic center-surround mechanisms for direction selectivity in the retina. Cell Rep. 31:107608. doi: 10.1016/j.celrep.2020.107608

 

Citação

Rivlin-Etzion M and Ankri L (2023) Seeing In a Changing World: How the Retina Responds to Changes in the Environment. Front. Young Minds. 11:1091174. doi: 10.3389/frym.2023.1091174

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