PROVIDÊNCIA, R.I. – Ritmos beta, ou ondas de actividade cerebral com uma frequência de aproximadamente 20 Hz, acompanham comportamentos fundamentais vitais como a atenção, sensação e movimento e estão associados a alguns distúrbios como a doença de Parkinson. Os cientistas têm debatido como surgem as ondas espontâneas, e ainda não determinaram se as ondas são apenas um subproduto da atividade, ou se desempenham um papel causal nas funções cerebrais. Agora em um novo artigo liderado por neurocientistas da Universidade Brown, eles têm uma nova explicação mecanicista específica das ondas beta a considerar.

A nova teoria, apresentada nos Anais da Academia Nacional de Ciências, é o produto de várias linhas de evidência: leituras de ondas cerebrais externas de sujeitos humanos, simulações computacionais sofisticadas e registros elétricos detalhados de dois organismos modelo de mamíferos.

“Um primeiro passo para entender o papel causal do beta no comportamento ou patologia, e como manipulá-lo para uma função ótima, é entender de onde ele vem no nível celular e de circuito”, disse a autora correspondente Stephanie Jones, professora associada de neurociência da Universidade Brown. “Nosso estudo combinou várias técnicas para abordar esta questão e propôs um novo mecanismo para o beta neocortical espontâneo. Esta descoberta sugere vários mecanismos possíveis através dos quais o beta pode impactar a função”

Fazer ondas

A equipe começou usando sensores externos de magnetoencefalografia (MEG) para observar ondas beta no córtex somatosensorial humano, que processa o sentido do tato, e no córtex frontal inferior, que está associado com maior cognição.

Analizaram de perto as ondas beta, descobrindo que elas duravam no máximo 150 milissegundos e tinham uma forma característica de onda, apresentando um grande vale íngreme no meio da onda.

A questão a partir daí era qual atividade neural no córtex poderia produzir tais ondas. A equipe tentou recriar as ondas usando um modelo computadorizado de um circuito cortical, composto de uma coluna cortical multicamadas que continha múltiplos tipos de células através de diferentes camadas. O importante é que o modelo foi projetado para incluir um tipo de célula chamado neurônios piramidais, cuja atividade é considerada como dominando os registros MEG humanos.

Eles descobriram que podiam replicar de perto a forma das ondas beta no modelo, fornecendo dois tipos de estimulação sináptica excitatória para camadas distintas nas colunas corticais das células: uma que era fraca e larga em duração para as camadas inferiores, contactando dendritos espinhosos nos neurónios piramidais próximos do corpo celular; e outra que era mais forte e breve, durando 50 milissegundos (ou seja um período beta), para as camadas superiores, em contacto com dendritos mais afastados do corpo celular. O forte impulso distal criou o vale na forma de onda que determinou a freqüência beta.

Mean enquanto tentavam modelar outras hipóteses sobre como as ondas beta surgem, mas encontraram aquelas sem sucesso.

Com um modelo do que procurar, a equipe então o testou procurando por um correlato biológico real dele em dois modelos animais. A equipe analisou medidas no córtex de ratos e rhesus macaques e encontrou confirmação direta de que esse tipo de estimulação e resposta ocorreu através das camadas corticais nos modelos animais.

“O teste final das previsões do modelo é registrar os sinais elétricos dentro do cérebro”, disse Jones. “Esses registros suportaram as previsões dos nossos modelos”.

Beta no cérebro

Nem os modelos computadorizados nem as medidas traçaram a fonte das estimulações sinápticas excitatórias que levam os neurônios piramidais a produzir as ondas beta, mas Jones e seus co-autores postulam que eles provavelmente vêm do tálamo, mais profundamente no cérebro. As projeções do tálamo ocorrem exatamente nos lugares certos necessários para fornecer sinais para as posições certas nos dendritos dos neurônios piramidais no córtex. O tálamo também é conhecido por enviar explosões de atividade que duram 50 milissegundos, como previsto por sua teoria.

Com uma nova teoria biofísica de como as ondas emergem, os pesquisadores esperam que o campo possa agora investigar se os ritmos beta afetam ou meramente refletem comportamento e doença. A equipe de Jones em colaboração com o Professor de Neurociência Christopher Moore na Brown está agora testando as previsões da teoria de que o beta pode diminuir as funções de processamento de informação sensorial ou motora no cérebro. Novas hipóteses são que os inputs que criam o beta também podem estimular neurônios inibidores nas camadas superiores do córtex, ou que eles podem saturar a atividade dos neurônios piramidais, reduzindo assim sua capacidade de processar informação; ou que as explosões talâmicas que dão origem ao beta ocupam o tálamo a ponto de não passar informação para o córtex.

A busca disso poderia levar a novas terapias baseadas na manipulação do beta, disse Jones.

“Um campo ativo e crescente de pesquisa em neurociência está tentando manipular ritmos cerebrais para uma função ideal com técnicas de estimulação”, disse ela. “Esperamos que nossa nova descoberta sobre a origem neural do beta ajude a orientar a pesquisa para manipular o beta, e possivelmente outros ritmos, para melhorar a função nas patologias sensoriomotoras”, disse ela.

O autor principal do estudo é o estudante graduado Brown Maxwell Sherman. Outros autores são Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen e Moore.

A National Science Foundation (subsídio: CRCNS-1131850) e os Institutos Nacionais de Saúde (subsídios: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) financiaram a pesquisa.