Um novo estudo mostra como nosso cérebro cria novas memórias, sem excluir as mais antigas.
Cientistas da Columbia desenvolveram um novo modelo matemático que ajuda a explicar como a complexidade biológica do cérebro humano permite que ele crie novas memórias sem apagar as antigas, ilustrando como o cérebro mantém a fidelidade das memórias por anos, décadas ou mesmo por toda a vida.
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Este modelo pode ajudar os neurocientistas a projetar estudos de memória mais direcionados e também estimular avanços em hardware neuromórfico, poderosos sistemas de computação inspirados no cérebro humano.
O cérebro está continuamente recebendo, organizando e armazenando memórias. Esses processos, que foram estudados em incontáveis experimentos, são tão complexos que os cientistas têm desenvolvido modelos matemáticos para compreendê-los totalmente, disse Stefano Fusi, o autor sênior do artigo. O modelo que desenvolvemos finalmente explica por que a biologia e a química subjacentes à memória são tão complexas e como essa complexidade impulsiona a capacidade do cérebro de lembrar.
Acredita-se que as memórias sejam armazenadas em sinapses, estruturas minúsculas na superfície dos neurônios. Essas sinapses agem como conduítes, transmitindo as informações alojadas em pulsos elétricos que normalmente passam de neurônio para neurônio. Nos primeiros modelos de memória, a intensidade dos sinais elétricos que passavam pelas sinapses era comparada a um botão de volume de um aparelho de som; ele discou para aumentar (ou para baixo para diminuir) a força da conexão entre os neurônios. Isso permitiu a formação de memórias.
Esses modelos funcionaram extremamente bem, pois representavam uma enorme capacidade de memória. Mas eles também representavam um dilema intrigante.
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O problema com um modelo simples e semelhante a um dial de como as sinapses funcionam é que se presume que sua força pode ser aumentada ou diminuída indefinidamente, disse o Dr. Fusi, acrescentando: Mas no mundo real isso não pode acontecer. Seja o botão de volume de um aparelho de som ou qualquer sistema biológico, deve haver um limite físico para o quanto ele pode girar.
Quando esses limites foram impostos, a capacidade de memória desses modelos entrou em colapso.
Portanto, o Dr. Fusi, em colaboração com Larry Abbot, também investigador do Instituto Zuckerman, ofereceu uma alternativa em que cada sinapse é mais complexa do que apenas um mostrador e, em vez disso, deve ser descrita como um sistema com múltiplos mostradores.
Em 2005, os Drs Fusi e Abbott publicaram pesquisas explicando essa ideia. Eles descreveram como diferentes mostradores dentro de uma sinapse podem operar em conjunto para formar novas memórias enquanto protegem as antigas. Mas mesmo esse modelo, os autores perceberam mais tarde, ficava aquém do que eles acreditavam que o cérebro, particularmente o cérebro humano, poderia conter.
Percebemos que os vários componentes sinápticos, ou mostradores, não apenas funcionavam em diferentes escalas de tempo, mas também provavelmente se comunicavam entre si, disse Marcus Benna, o primeiro autor do artigo atual da Nature Neuroscience. Assim que adicionamos a comunicação entre os componentes ao nosso modelo, a capacidade de armazenamento aumentou enormemente, tornando-se muito mais representativa do que é alcançado dentro do cérebro vivo.
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O Dr. Benna comparou os componentes deste novo modelo a um sistema de copos conectados uns aos outros por meio de uma série de tubos.
Em um conjunto de béqueres interconectados, cada um deles preenchido com diferentes quantidades de água, o líquido tenderá a fluir entre eles de modo que os níveis de água se equalizem. Em nosso modelo, os béqueres representam os vários componentes de uma sinapse, explicou o Dr. Benna. Adicionar líquido a um dos béqueres ou remover parte dele representa a codificação de novas memórias. Com o tempo, o fluxo de líquido resultante se difundirá pelos outros béqueres, correspondendo ao armazenamento de memórias a longo prazo.
Ambos os pesquisadores estão esperançosos de que este trabalho possa ajudar os neurocientistas em laboratório, ao atuar como um arcabouço teórico para orientar futuros experimentos, levando a uma caracterização mais completa e detalhada do cérebro.
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Embora a base sináptica da memória seja bem aceita, em grande parte devido ao trabalho do Prêmio Nobel e codiretor do Instituto Zuckerman, Dr. Eric Kandel, esclarecer como as sinapses sustentam as memórias ao longo de muitos anos sem degradação tem sido extremamente difícil, disse o Dr. Abbott. Drs Benna e Fusi devem servir como um guia para pesquisadores que exploram a complexidade molecular da sinapse.
As implicações tecnológicas desse modelo também são promissoras. O Dr. Fusi há muito está intrigado com o hardware neuromórfico, computadores projetados para imitar um cérebro biológico.
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Hoje, o hardware neuromórfico é limitado pela capacidade de memória, que pode ser catastroficamente baixa quando esses sistemas são projetados para aprender de forma autônoma, disse o Dr. Fusi. A criação de um modelo melhor de memória sináptica pode ajudar a resolver esse problema, acelerando o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que são compacto e energeticamente eficiente e tão poderoso quanto o cérebro humano.
Este artigo intitulado Princípios computacionais de consolidação da memória sináptica foi publicado online na Nature Neuroscience.