Aprendizagem e Memória

Como os bioquímicos estudam o comportamento?

No século XIX, foi proposto que o cérebro estaria para a mente assim como um violino está para a música. Hoje, metáforas mais pertinentes para cérebros e mentes são o computador e seus programas. O Hardware é análogo ao cérebro geneticamente determinado, enquanto o software é a parte passível de modificação, resultando da experiência comportamental. Muito tem sido aprendido sobre como os genes que determinam o desenvolvimento cerebral são expressos. Mostrou-se que a diferenciação celular, migração, sinaptogênese e outros fatores têm um papel muito importante no desenvolvimento. Sabe-se que uma rede de neurônios e glia em desenvolvimento responde seletivamente a fatores de crescimento e a gradientes de substâncias químicas de acordo com um programa altamente integrado e pré-definido. Sabemos ainda que um animal recém-nascido não é como uma folha em branco. Ele possui comportamentos trazidos pelo seu hardware e que são conhecidos como instintos. Uma questão pertinente nesse ponto é se existe algum mecanismo celular ou molecular que esteja ativo durante o desenvolvimento, mas que seja reduzido ou ausente no cérebro maduro e que possa ser induzido de forma a servir como a base física da aprendizagem e da memória. Ainda, as manifestações físicas do aprendizado e da memória podem ser mediadas por mecanismos únicos para a aquisição e manutenção de novos comportamentos.

A aprendizagem pode ser definida como uma mudança adaptativa em relação a uma resposta de determinado evento ambiental

Tem sido questionado se a aprendizagem e memória poderiam existir fora do sistema nervoso, como, por exemplo, na resposta imune, mas consideraremos aqui apenas o cérebro e o comportamento. A aprendizagem é quantificada experimentalmente como a probabilidade que um organismo responda da mesma forma a um estímulo quando esse é repetido. Essa alteração da probabilidade seria baseada na memória do organismo do que foi aprendido. Portanto, não é possível considerar o aprendizado sem memória ou a memória sem o aprendizado. Podemos, entretanto, distinguir entre memória necessária para o aprendizado permanente ou memória de curta-duração. Por exemplo, um animal pode demonstrar ter adquirido uma resposta condicionada ao realizar treinamentos repetitivos durante uma seção inicial de treinamento, o que indicaria a ocorrência do aprendizado e da memória de curta-duração na tarefa executada. A repetição do comportamento aprendido numa segunda seção de treinos realizada horas ou semanas mais tarde constituiria evidência da formação de memória de longa-duração. O fato de que as memórias de curta e longa-duração são processos distintos veio através de estudos utilizando agentes interventivos.
É importante lembrar que apesar de que consideramos que a aprendizagem e a memória são processos biológicos intrínsecos, nossas medidas de comportamento são baseadas totalmente na performance do animal que é utilizado num determinado experimento. Quando um animal previamente treinado não demonstra ter adquirido um determinado comportamento em relação a algumas condições específicas, como indução por drogas, a determinação do fato de que a memória para dado comportamento foi suprimida ou desapareceu (amnésia) vai depender da habilidade do experimentador.

Efeitos da administração de agentes que bloqueiam a memória de longa duração. Um goldfish (Carassius auratus) é mostrado numa caixa utilizada para treinamento de comportamento com choque. O goldfish é transferido de tanques para um dos lados do aparato de treinamento, que é dividido em duas metades por uma barreira submersa. O treinamento começa com um sinal de luz, o estimulo condicionado, na extremidade da caixa mais próxima do peixe. Ela é seguida por um choque 20 segundos depois, o estímulo não condicionado, administrado através da água. Peixes inexperientes respondem ao estimulo não condicionado nadando, após o choque, através da barreira até o lado escuro, e presumivelmente seguro, da caixa. Essa resposta de escapar é eventualmente trocada após muitos experimentos pela aprendizagem da resposta que evita o choque, na qual o peixe nada pela barreira antes do choque acontecer. Se o peixe demonstra a resposta condicionada ou a não condicionada, ele estará de qualquer forma do lado contrário ao do início do experimento. O próximo experimento, então, começa com o sinal de luz do lado que peixe se encontra do aparato. A localização do peixe na caixa é determinada por fotodetectores e suas escapadas corretas do choque são marcadas automaticamente.


B. A probabilidade de evitar a resposta durante 15 tentativas aumenta progressivamente, indicando que a memória de curta-duração é formada. Após essa primeira seção, o peixe retorna imediatamente para o seu tanque e é submetido ao teste uma semana depois, demonstrando seu aprendizado anterior e mostrando aprendizagem mais eficaz na segunda seção. Se algum agente amnésico é injetado intracranialmente logo antes da seção (tempo a), a aquisição normal é vista, mas há um profundo déficit na performance nos treinamentos posteriores uma semana depois. Se o agente é administrado algum tempo antes da primeira seção (tempo b) a retenção da aprendizagem é vista. Variando o tempo de injeção da droga após o treinamento a duração de atividade do agente amnésico pode ser medida. A injeção intracraniana de inibidores de síntese protéica é efetiva quando administrada 24, mas não 72 horas antes da seção 1. Uma injeção imediatamente posterior à seção 1 (tempo c) resulta num profundo déficit no treinamento uma semana depois. O processo é dependente de tempo já que o peixe retorna a seu tanque e, se a injeção for dada poucas horas depois (tempo d), não há déficit na segunda seção. De fato, o peixe não tratado anteriormente cujo agente amnésico é dado logo após a segunda seção (dia 8 – tempo e) ainda mostra ter aprendido a resposta. Essas regras de tratamento tempo-dependentes podem estar relacionadas aos efeitos tóxicos agudos ou crônicos dos agentes amnésicos.

C. O decaimento da memória de curta-duração. A injeção de um agente bloqueante logo antes ou depois da seção 1 resulta em falha na formação da memória de longa-duração. Nesse experimento grupos individuais de animais foram treinados e retreinados por varias vezes antes de 8 dias, a 6, 48 ou 96 horas após a seção 1, demonstrando a perda gradual da resposta aprendida. Os experimentos, portanto, constituem evidência do decaimento da memória de curta-duração.

O estudo da neuroquímica correlacionando aprendizado e memória deve ser feita através descoberta de um padrão comportamental e que seja possível estudar utilizando abordagens moleculares e celulares.

Sistemas experimentais simples, como sensibilização e habituação, nos quais um estímulo repetitivo gera uma diminuição ou aumento de resposta comportamental, respectivamente, têm se mostrado úteis. Essas respostas são obtidas através de estudos com organismos primitivos, como invertebrados, cujos circuitos neurais acredita-se serem mais simples e experimentalmente acessíveis do que os cérebros de vertebrados. Outra abordagem reducionista utiliza preparações in vitro de pedaços de tecido cerebral, que permitem exame direto de alterações na transmissão sináptica seguida de uma breve estimulação neural, onde se acredita que os impulsos elétricos imitem os eventos que ocorrem no cérebro intacto durante a aprendizagem. Portanto, o experimentador pode comprometer a relevância direta de seu estudo comportamental ao medir o modelo de transmissão neural do aprendizado e memória utilizando um modelo mais simples. Ou então, de forma alternativa, estudar o comportamento em algum animal mais complexo sem poder medir os parâmetros celulares, bioquímicos e moleculares. Comportamentos mais complexos em animais intactos, incluindo humanos, serão discutidos a seguir.

A investigação de aprendizagem e memória no comportamento de animais intactos geralmente envolve uma das duas estratégias: interventiva ou correlativa.

Inibidores antibióticos de sínteses macromoleculares e vários agentes farmacológicos, como agonistas de neurotransmissores e antagonistas, são exemplos de agentes interventivos. Mesmo quando administrados sistemicamente ou intracranialmente, eles não têm localização anatômica e freqüentemente afetam várias vias metabólicas. Apesar disso, muito pode ser aprendido utilizando essas substâncias, que podem apontar uma direção para estudos posteriores que venham a confirmar ou refutar conclusões feitas sobre interferências desses agentes. Portanto, estudos de radioisótopos podem investigar se um processo metabólico específico que se pensa ser crucial para a formação de memória é alterado através da manipulação comportamental na ausência do agente interventivo.

Abordagens genéticas que utilizam mutação e procedimentos de nocaute são, por natureza, interventivos. Medidas não invasivas de atividade cerebral como tomografia por emissão de positrons (PET) e resonância magnética funcional (fMRI) são abordagens correlativas, particularmente úteis para o estudo da aprendizagem e memória em humanos.

As várias estratégias correlativas e interventivas e os sistemas modelo mostram ser mais úteis quando podem ser integrados numa hipótese consistente que leve a experimentos importantes no futuro ou quando pode-se adicionar novas informações a modelos teóricos que mostrem como o cérebro processa e guarda a informação comportamental.

Pressupostos Básicos

A hipótese atual relativa às bases neuroquímicas da memória é baseada em premissas que serão enumeradas abaixo. O resto desse capítulo discute sua validade:

1. A base normalmente aceita do paradigma comportamental para o estudo do aprendizado e da memória é a resposta condicionada.

O que será que queremos dizer quando falamos que o aprendizado e a memória compreendem uma ampla variedade de respostas adaptativas em espécies altamente diferentes? A caracterização feita por Pavlov sobre condicionamento tem servido como modelo padrão e como critério de aceitação do aprendizado em animais intactos e, por analogia, em modelos celulares e subcelulares. Ele enfatizou as necessidades temporais para a aprendizagem ótima: para que a aprendizagem ocorra, o estimulo condicionado ou neutro (CS) deve preceder o estímulo não-condicionado (US). Por exemplo, um choque elétrico que resulte num aumento de batimentos cardíacos pode servir como um estimulo não-condicionado, que pode ser comparado com uma luz neutra ou um estímulo sonoro que não afetem o comportamento do animal. O critério de contingência, ou seja, que o CS preceda o US deve ser observado na aprendizagem verdadeira. Esses critérios podem ser aplicados a sistemas simples, como nos sistemas nervosos de invertebrados, onde neurônios específicos e conhecidos parecem mediar o comportamento, ou em preparações de cérebros de mamíferos, onde a performance é medida eletrofisiologicamente.

2. A síntese de proteínas é necessária para memória de longa duração, mas não para a memória de curta-duração.

Estudos em peixes, roedores, pássaros e invertebrados têm indicado que a formação das memórias de curta e longa duração podem ser distinguidas com base na susceptibilidade a agentes antibióticos que bloqueiam a síntese de proteínas no cérebro. Considerações sobre os aspectos temporais da aprendizagem e memória e o conhecimento da escala temporal dos processos bioquímicos levaram à predição de que o aprendizado e a formação de memória de curta-duração, que pode ocorrer dentro de milisegundos ou horas, são mediados por modificações pós-traducionais da sinapse. A memória de longa duração, que pode se formar e durar por toda uma vida, acredita-se ser mediada por processos que (i) requerem síntese de proteínas de novo, e (ii) portanto dependem do genoma neuronal, e (iii) deve necessitar da existência de comunicação entre a superfície celular e o núcleo, provavelmente através de transporte axonal.

3. Informações comportamentais são armazenadas em conexões sinápticas

Esse conceito surgiu com Cajal, que primeiro reconheceu a enorme complexidade das redes neuronais no cérebro. Apesar de que parece evidente que as funções orgânicas mais complexas residam nas estruturas mais complexas, essa premissa ainda não foi confirmada. Ela é suportada por muitas indicações de que a complexidade sináptica aumenta com o desenvolvimento e com o ambiente. Hipóteses alternativas, como as de que a memória reside na glia, não têm suporte suficiente para serem apresentadas aqui. Foi proposto que a memória não é baseada na alteração de estados químicos, mas na reverberação de circuitos elétricos ou distribuições de carga, entretanto há uma ampla evidência de que a memória permanece guardada mesmo em períodos de silêncio elétrico do cérebro. Neuroquímicos geralmente adotam a premissa de que fenômenos biológicos de longa-duração são preservados e protegidos na forma de ligações químicas covalentes. Entretanto isso não permite uma hipótese simples de acréscimo de novas conexões sinápticas que seriam soldadas às anteriores, pois, enquanto algumas memórias podem durar o tempo de uma vida, as proteínas cerebrais fazem um turn over que deve ser medido no tempo de horas, dias ou semanas. As alterações das relações sinápticas podem sobrepor memórias de longa duração guardadas, que podem durar por anos, e deve, portanto, depender de loops de retro-alimentação gerados no núcleo da célula. Há amplas evidências independentes de que o genoma regula a expressão fenotípica ao longo do tempo de vida de uma célula, sendo que, no caso dos neurônios, isso significa o tempo de vida do indivíduo. Permanece ainda por ser demonstrado quais dos eventos que ocorrem durante a aprendizagem nas superfícies das membranas pré e pós-sinápticas são comunicados ao núcleo neuronal.

Esses três pressupostos servem como base para a avaliação da diversidade de abordagens experimentais que permitem o entendimento da aprendizagem e da memória.

A Plasticidade Sináptica como Modelo para a Pesquisa do Aprendizado e da Memória

Durante o desenvolvimento precoce há um contínuo crescimento e modificação das conexões entre neurônios e seus alvos. Um aumento aparente na entrada de estímulos ambientais contribui para as conformações e para o ajuste dos circuitos neuronais durante o desenvolvimento e ao longo da vida. A conectividade neuronal não é fixa uma vez que já se desenvolveu, mas continua sua mudança ao longo da vida.
A remodelação da conectividade sináptica pode ocorrer em resposta a manipulações ambientais, estimulações sensoriais e aprendizagem de novas tarefas e pode estar associada com mudanças cíclicas no status fisiológico do organismo.

Mudanças no ambiente podem gerar respostas plásticas neuronais

O principal propósito da aprendizagem é se adaptar com sucesso ao ambiente, que está sempre em mudança. As mudanças no ambiente e nas interações do organismo podem produzir mudanças dramáticas na morfologia celular do cérebro. Experimentos que suportam essa abordagem envolvem a colocação de ratos em ambiente ricos e a comparação de seus cérebros com o de ratos que são mantidos num ambiente pouco diversificado. Uma condição ambiental pobre ou pouco diversificada consiste de um ambiente onde animais vivem solitariamente com um mínimo de estimulação ambiental. Já um ambiente rico freqüentemente consiste de um grupo de animais com grandes tocas, brinquedos, escadas, labirintos e interações sociais. Essas condições influenciam profundamente o aprendizado, tanto em relação à estrutura química quanto à anatômica do cérebro
A exposição de ratos jovens em um ambiente rico resulta em uma melhor performance na aprendizagem espacial quando comparados com ratos que viveram em ambientes pobres. Ainda, os efeitos ambientais do enriquecimento do ambiente são complementados por alterações físicas no cérebro. A exposição de ratos a condições ricas por 30 dias aumenta o número de sinapses e a complexidade da ramificação dendrítica no córtex frontal e occipital. Não apenas os neurônios são afetados, mas há também um aumento da área de superfície dos astrócitos e na vascularização do cérebro. Os efeitos podem ser de magnitude suficiente para gerar um aumento na espessura total do córtex cerebral. Um aumento nas neurotrofinas pode ser um dos mecanismos moleculares que contribuem para esse efeito impressionante. Enquanto as respostas adaptativas gerais são mais pronunciadas no cérebro de ratos jovens, a estimulação ambiental produz efeitos também nos cérebros de ratos velhos. Ratos já velhos, com 25 a 30 meses, que passam a viver em condições ricas por vários meses mostram um aumento na performance de aprendizagem acompanhada por um aumento na espessura cortical, angiogênese e nos dendritos. As observações dos efeitos do enriquecimento ambiental em roedores enfatizam a importância da atividade física e da estimulação mental para as funções cerebrais e plasticidade cerebral.

Aprendizagem motora pode modificar a conectividade sináptica

Em animais modelos treinados em tarefas complexas, há freqüentemente a aprendizagem repetitiva e atividade de novos e diferentes componentes. Seria a tarefa repetitiva ou o novo aprendizado mais crítico para as mudanças estruturais no cérebro, ou seriam ambas essenciais? Isso pode ser antecipado pelo fato de que as estruturas cerebrais são mais responsivas para os processos de aprendizado do que para a atividade e performance motora. Num experimento designado para determinar as contribuições relativas para cada condição, um grupo de ratos foi treinado em condição de aprendizagem aeróbica, que requer um grande aprendizado motor. Outro grupo foi exercitado em uma corrida numa rodinha voluntária, que possui apenas um pequeno componente de aprendizagem. Esses dois grupos foram comparados um com o outro e com ratos que ficaram inativos. A condição aeróbica consistia de treinamento em um caminho cheio de obstáculos. O curso foi sendo cada vez mais longo e mais desafiador num período de treinamento de 30 dias. Após o treinamento, os animais mostraram melhora no tempo em que atravessavam o caminho. No fim de 30 dias o córtex cerebelar, que participa na aprendizagem das habilidades motoras, foi analisado por um número de sinapses em cada célula de Purkinje e a densidade de vasos sanguíneos. Os resultados mostraram que a condição de aprendizagem aeróbica permite o aumento de sinapses, onde a condição de exercícios produzida aumenta a densidade de vasos sanguíneos.

Efeitos de várias tarefas motoras através de medidas de microanatomia cerebral. Grupos de ratos foram submetidos a treinamento de novas tarefas acrobáticas (AC) ou a corrida voluntária em rodinha (VX) ou em condição inativa (IC). A curva de aprendizado do grupo AC (A) foi comparada com o aumento nas sinapses para cada célula cerebelar de Purkinje (B) e com a densidade de vasos sanguíneos (C). Foi visto que AC está associado com o aumento no número de sinapses, enquanto os exercícios voluntários aumentam a vascularidade.

Portanto, parece que quando o ambiente apresenta uma necessidade de movimentos hábeis, há um aumento de sinapses. Entretanto, quando o ambiente demanda repetição intensiva, a densidade vascular é aumentada pra gerar um aumento na demanda metabólica. O exercício em si pode iniciar mudanças moleculares no cérebro e influenciar mecanismos de aprendizagem e memória. Ratos expostos diariamente a corridas aumentaram sua performance em várias tarefas de aprendizagem, inclusive no aprendizado espacial. Relacionando-os aos ratos sedentários controle, os ratos que corriam produziam mudanças na captação de colina de alta-afinidade (marcador da função colinérgica) no hipocampo e no córtex parietal; aumento da densidade dos receptores muscarínicos; inibição da diminuição da densidade de receptores muscarínicos no hipocampo causados pelo envelhecimento; e aumento da imunoreatividade do hipocampo para selecionar neuropeptídeos. Somente poucos dias de corrida voluntária já aumenta a expressão de fatores tróficos no hipocampo, como o fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF).

Além disso, a estimulação ambiental pode facilitar a recuperação após dano cerebral, já que a exposição a condições mais ricas seguidas pela injuria cerebral pareceu aumentar a performance no aprendizado e nas tarefas motoras. É geralmente aceito que isso envolve a criação de axônios e sinaptogênese juntamente com o uso de mecanismos de plasticidade direcionados pelo ambiente. O exercício reportado também faz o cérebro mais resistente a injúria. O aumento na atividade cerebral pode induzir neurotrofinas como BDNF, que podem, por sua vez, influenciar a plasticidade sináptica e a resistência neuronal a insultos.

Há, portanto, evidência tanto em estudos com animais quanto em humanos de que o enriquecimento ambiental e a adaptação física podem estar relacionados com funções cognitivas e de memória. Esses mecanismos de plasticidade podem dar o ajuste fino no circuito neural e evocar sistemas de suporte essenciais.

Hormônios endógenos causam alterações estruturais no sistema nervoso

Está bem estabelecido que os hormônios que circulam no corpo podem produzir comportamentos específicos. Evidências recentes demonstram que mudanças nas concentrações de hormônios induzem mudanças na morfologia neuronal do CNS. Por exemplo, num cérebro de roedor normal, o desenvolvimento da densidade sináptica na região CA1 do hipocampo depende da disponibilidade de andrógenos. Parece ainda que a remoção de hormônios esteróides gerados por ovariectomia causa a diminuição da densidade de dendritos na região CA1 do cérebro de ratas adultas. Essas mudanças são observadas logo após tratamento, sugerindo a possibilidade de que ocorram mudanças hormônio-induzidas na densidade sináptica durante o ciclo menstrual normal. Analises quantitativas feitas por microscópio eletrônico confirmaram que os dendritos dos neurônios na região CA1 hipocampal e no hipotálamo ventromedial apresentam mudanças cíclicas de acordo com o ciclo do estro (cio) no rato. Especificamente durante o ciclo do estro (cio) a densidade de dendritos é significativamente menor durante a fase pré-cio. Pode ser antecipado que essas mudanças devem influenciar os mecanismos de aprendizagem e memória que envolvam o hipocampo.


Regeneração nervosa serve como modelo de neuroplasticidade na formação do aprendizado e memória

A regeneração nervosa, como o remodelamento sináptico, parece ocorrer na formação do aprendizado e da memória num cérebro adulto pos-mitótico. O sistema de regeneração visual de vertebrados ectotérmicos tem sido de particular interesse em eventos que acontecem inteiramente no CNS, já que parece que a regeneração do CNS de endotermos, como pássaros e mamíferos parece não ocorrer. Como conseqüência, o nervo óptico de goldfish foi estudado extensivamente para a presença de novas proteínas induzidas durante a regeneração. Um exemplo é a proteína associada a crescimento GAP-43, que foi identificada com um componente do cone de crescimento no axônio em regeneração. Essa proteína é expressa no hipocampo do rato e sua fosforilação é aumentada sob condições que induzem a potenciação de memória de longa duração. Portanto, GAP-43 serve como um exemplo de proteína caracterizada como tendo papel na regeneração, mas depois mostrou também participar de outras formas de plasticidade neuronal. Tais proteínas podem também se mostrar sondas úteis de plasticidade sináptica induzidas por condições ambientais, como ocorre na aprendizagem e memória.

Fonte:www.icb.ufmg.br/biq/neuronet/grupoc/gd4grupo3.htm