Como as proteínas cerebrais moldam as conexões neurais

Resumo: Um novo estudo associa centenas de proteínas cerebrais a diferenças na forma como as regiões cerebrais se comunicam, revelando como moléculas em microescala podem influenciar a conectividade cerebral em macroescala. Pesquisadores estudaram amostras e exames cerebrais de participantes idosos para mapear mecanismos bioquímicos que afetam a conectividade estrutural e funcional no cérebro.

Ao integrar dados de proteínas e RNA com neuroimagem, eles identificaram proteínas-chave associadas à comunicação entre áreas cerebrais. Espinhas dendríticas — estruturas nos neurônios — serviram como uma ponte importante, conectando dados moleculares com redes cerebrais.

As descobertas iluminam a arquitetura complexa e multinível que sustenta a função cerebral humana. Esta pesquisa pode abrir caminho para novas abordagens na compreensão de doenças neurodegenerativas.

Principais fatos:

1. Pesquisadores identificaram proteínas ligadas a diferenças individuais na conectividade cerebral e nos padrões estruturais.

2. A morfometria da espinha dendrítica foi crucial para ligar sinais moleculares à comunicação entre regiões do cérebro.

3. As descobertas sugerem que entender a função cerebral requer integração de dados em várias escalas entre moléculas, células e redes cerebrais.

Fonte: Universidade do Alabama

Um objetivo de longa data da neurociência é entender como moléculas e estruturas celulares em microescala dão origem à comunicação entre regiões do cérebro em macroescala.

“Este estudo demonstra a viabilidade de integrar dados de escalas biofísicas muito diferentes para fornecer uma compreensão molecular da conectividade do cérebro humano.”

A redução da lacuna entre a escala molecular de proteínas e mRNA e a escala de neuroimagem cerebral de ressonância magnética funcional e estrutural — um intervalo de cerca de sete ordens de magnitude — foi possível graças ao Religious Orders Study e ao Rush Memory and Aging Project, ou ROSMAP, na Rush University, em Chicago, Illinois.

O ROSMAP recruta freiras, padres e irmãos católicos com 65 anos ou mais, sem demência conhecida no momento da inscrição. Os participantes passam por avaliações médicas e psicológicas anualmente e concordam em doar seus cérebros após a morte.

Herskowitz, Gaiteri e colegas estudaram amostras cerebrais post-mortem e dados de uma coorte única de 98 participantes do ROSMAP. Seus tipos de dados incluíram fMRI em repouso, MRI estrutural, genética, morfometria da espinha dendrítica, proteômica e medições de expressão gênica do giro frontal superior e do giro temporal inferior do cérebro.

“Com base na estabilidade dos padrões de conectividade funcional dentro dos indivíduos, levantamos a hipótese de que é possível combinar dados moleculares e subcelulares post-mortem com dados de neuroimagem antemortem dos mesmos indivíduos para priorizar os mecanismos moleculares subjacentes à conectividade cerebral”, disse Herskowitz.

A idade média dos participantes do ROSMAP no momento da ressonância magnética e no momento da morte foi de 88 +/- 6 anos e 91 +/- 6 anos, respectivamente, com um intervalo de tempo médio entre a ressonância magnética e a idade no momento da morte de 3 +/- 2 anos.

O intervalo médio pós-morte até a coleta de amostras cerebrais foi de 8,5 +/- 4,6 horas. No estudo, os pesquisadores realizaram a caracterização detalhada de cada tipo de dado ômico, celular e de neuroimagem e, em seguida, integraram os diferentes tipos de dados usando algoritmos de agrupamento computacional.   

A chave para a pesquisa foi usar uma medida de escala intermediária — morfometria dos espinhos dendríticos, as formas, tamanhos e densidades dos espinhos — para vincular a escala molecular com a escala de neuroimagem de todo o cérebro.

A integração da morfometria da espinha dendrítica para contextualizar os sinais proteômicos e transcriptômicos foi fundamental para detectar a associação de proteínas com a conectividade funcional.

“Inicialmente, as medidas de proteína e RNA não conseguiam explicar a variabilidade de pessoa para pessoa na conectividade funcional; no entanto, tudo se encaixou quando integramos a morfologia da espinha dendrítica para preencher a lacuna entre as moléculas e a comunicação entre as regiões intercerebrais”, disse Herskowitz.

Neste verão, em um estudo diferente, Herskowitz e colegas usaram amostras do ROSMAP para mostrar que a preservação da memória em pessoas muito idosas era mantida pela qualidade, medida pelo diâmetro da cabeça da espinha dendrítica, não pela quantidade de sinapses no cérebro.

Neste último estudo, as centenas de proteínas identificadas pelos pesquisadores que explicam diferenças interindividuais na conectividade funcional e na covariação estrutural foram enriquecidas para proteínas envolvidas em sinapses, metabolismo energético e processamento de RNA.

“Ao integrar dados nos níveis genético, molecular, subcelular e tecidual, vinculamos mudanças bioquímicas específicas nas sinapses à conectividade entre regiões do cérebro”, disse Herskowitz.

“No geral, este estudo indica que a aquisição de dados das principais perspectivas da neurociência humana a partir do mesmo conjunto de cérebros é fundamental para entender como a função cerebral humana é suportada em múltiplas escalas biofísicas”, disse Herskowitz.

“Embora pesquisas futuras sejam necessárias para determinar completamente o escopo e os componentes da sincronia cerebral em múltiplas escalas, estabelecemos um conjunto inicial de moléculas bem definido, cujos efeitos provavelmente repercutem em escalas biofísicas.”