Basolateral amygdala neurons await oscillatory recruitment into valence-relevant ensembles

A capacidade do cérebro de decidir se uma situação é segura ou perigosa é uma questão de vida ou morte. Este processo, conhecido como processamento de valência, permite que um animal rotule rapidamente uma experiência como boa ou má e, então, aja de acordo, seja aproximando-se de uma recompensa ou fugindo de uma ameaça. Embora este mecanismo de sobrevivência seja essencial, os cientistas há muito lutam para compreender a maquinaria elétrica precisa que o torna possível. Durante anos, a pesquisa concentrou-se em duas pistas separadas. Uma linha de investigação analisou grupos específicos de neurônios, chamados conjuntos (ensembles), que se iluminam quando um animal aprende algo temível ou algo recompensador. Outra linha de investigação examinou ondas elétricas rítmicas que percorrem o cérebro, conhecidas como oscilações, que mudam de velocidade dependendo de o animal estar sentindo medo ou segurança. Até agora, estas duas pistas permaneciam desconectadas. Os pesquisadores sabiam que células cerebrais específicas estavam envolvidas no aprendizado e que ondas cerebrais específicas estavam envolvidas em estados emocionais, mas não sabiam como as ondas realmente recrutavam as células certas para realizar o trabalho.

Uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Medicina da Universidade Tufts conseguiu agora preencher esta lacuna, mostrando como estas ondas rítmicas atuam como um maestro, selecionando grupos específicos de neurônios para participar de memórias emocionais. Eles focaram em uma região do cérebro chamada amígdala basolateral, um centro crítico para o processamento de emoções. Usando ferramentas avançadas para observar células cerebrais em tempo real e estimulá-las com ritmos elétricos precisos, a equipe descobriu que os neurônios individuais não são apenas participantes passivos. Em vez disso, eles possuem uma sensibilidade inerente a frequências específicas de atividade elétrica. Assim como um receptor de rádio é sintonizado para captar uma estação enquanto ignora outras, estas células cerebrais são naturalmente sintonizadas para responder a padrões rítmicos específicos. Os pesquisadores descobriram que, quando o cérebro gera um ritmo lento associado ao medo, ele recruta um conjunto específico de neurônios que projetam para áreas que controlam a esquiva. Quando um ritmo mais rápido associado à segurança é gerado, um conjunto diferente de neurônios é recrutado para impulsionar comportamentos de aproximação.

Para descobrir este mecanismo, os cientistas primeiro precisaram confirmar que diferentes tipos de aprendizado emocional utilizam, de fato, diferentes grupos de neurônios. Eles treinaram camundongos para temer um ambiente específico e, depois, para desaprender esse medo através de um processo chamado extinção. Ao rastrear a atividade de neurônios que enviam sinais para diferentes partes do cérebro, observaram que os neurônios envolvidos na resposta inicial de medo eram distintos daqueles envolvidos no aprendizado de que o perigo havia passado. Isso confirmou que o cérebro utiliza equipes de células separadas para estados emocionais opostos. No entanto, a questão permanecia: o que diz a essas equipes específicas para se levantarem e tomarem uma atitude?

A equipe recorreu à ideia de que células inibitórias, que atuam como os freios do cérebro, poderiam ser as responsáveis por estabelecer o ritmo. Eles usaram uma técnica chamada optogenética, que permite aos cientistas controlar células cerebrais com luz, para estimular essas células inibitórias na amígdala. Ao piscar a luz nessas células em um ritmo lento de 4 vezes por segundo, eles mimetizaram o estado cerebral associado ao medo. Quando piscaram a luz em um ritmo mais rápido de 8 vezes por segundo, mimetizaram o estado associado à segurança. Eles então observaram o resto das células cerebrais para ver quem respondia. Os resultados foram claros e precisos. O ritmo lento ativou um grupo específico de neurônios, enquanto o ritmo rápido ativou um grupo completamente diferente. Algumas células responderam a ambos, mas muitas eram altamente seletivas, disparando apenas quando o ritmo correspondia à sua sintonia interna.

Os pesquisadores então quiseram saber se essa sintonia era algo com que as células nasceram ou se era aprendida. Eles mediram as propriedades elétricas de neurônios individuais em uma placa de cultura para ver como reagiam a uma gama de frequências. Descobriram que os neurônios naturalmente preferiam certas frequências, independentemente de o animal já ter experimentado medo ou segurança antes. Isso sugere que o cérebro é construído com uma biblioteca de células pré-sintonizadas, esperando pelo sinal rítmico correto para serem ativadas. As células inibitórias atuam como o interruptor, gerando o ritmo que seleciona a equipe correta da biblioteca para lidar com a situação emocional atual.

Para provar que este mecanismo funciona em um animal vivo e em comportamento, a equipe combinou estas técnicas. Primeiro, marcaram os neurônios que estavam ativos durante uma experiência de medo ou uma experiência de segurança. Mais tarde, estimularam as células inibitórias com luz nas frequências correspondentes. Quando estimularam o céreio na frequência do "medo", descobriram que os neurônios originalmente marcados durante a experiência de medo foram reativados. Quando usaram a frequência da "segurança", os neurônios marcados durante a experiência de segurança foram reativados. Isso demonstrou que o estado rítmico do cérebro não é apenas um efeito colateral da emoção, mas uma causa direta que reengaja os circuitos neurais específicos responsáveis por aquela emoção.

O estudo também observou para onde esses neurônios enviam seus sinais. Neurônios que projetam para uma região envolvida em congelamento e esquiva eram mais propensos a serem recrutados pelo ritmo lento relacionado ao medo. Neurônios que projetam para regiões envolvidas em recompensa e exploração eram mais propensos a serem recrutados pelo ritmo mais rápido relacionado à segurança. Isso fornece um quadro completo de como o cérebro roteia a informação: as células inibitórias geram um ritmo, esse ritmo seleciona um grupo específico de neurônios com base em suas preferências naturais de frequência, e esses neurônios então enviam sinais para as partes apropriadas do cérebro para produzir o comportamento correto.

Este trabalho oferece uma nova maneira de entender como o cérebro gerencia estados emocionais complexos. Sugere que o cérebro não precisa se reconfigurar toda vez que um animal encontra uma nova situação. Em vez disso, ele depende de um sistema dinâmico onde o ritmo da rede determina quais ferramentas pré-existentes são utilizadas. As descobertas também têm implicações para a compreensão de condições psiquiátricas onde este sistema pode estar preso em um único estado, como no transtorno de estresse pós-traumático, onde o cérebro pode ser incapaz de sair de um ritmo de medo. Ao compreender que estes ritmos são a chave para recrutar as células certas, os cientistas poderão um dia desenvolver tratamentos que ajudem o cérebro a resetar seu ritmo e restaurar a capacidade de aprender a segurança. A pesquisa confirma que a vida emocional do cérebro não é apenas sobre quais células estão ativas, mas sobre o tempo e o ritmo precisos que as trazem para o trabalho.