Os pesquisadores usam tecnologia avançada e camundongos para estudar a estrutura do neurônio da dopamina, o vício e a capacidade do cérebro de se recuperar.
Um comercial do final da década de 1980 destinado a combater o vício em drogas usou um par de ovos fritos como metáfora para os efeitos das drogas no cérebro humano. Embora os pesquisadores tenham entendido há muito tempo que existe uma conexão entre o abuso de drogas e as mudanças adversas no cérebro, só agora eles podem estudar, em detalhes, as alterações que realmente ocorrem.
Utilizando tecnologia de ponta, pesquisadores do Universidade de Chicago e Argonne National Laboratory detalharam, pela primeira vez, mudanças específicas que ocorrem nos cérebros de camundongos expostos a cocaína.
Os axônios de dopamina (azul claro) formam inchaços locais, chamados varicosidades, preenchidos com vesículas (esferas amarelas) que liberam dopamina. Esses inchaços podem formar pontos de contato direto com axônios não dopaminérgicos (vermelho) e se assemelham a espínulos, estruturas que se acredita modularem a atividade neuronal. Crédito: Imagem de Gregg Wildenberg, University of Chicago/Argonne National Laboratory
A pesquisa fornece novos insights sobre a função das principais estruturas dos neurônios da dopamina, que estão envolvidas em várias funções, desde o movimento voluntário até o comportamento. Os resultados viraram a página em questões mais antigas sobre como a dopamina é transmitida, enquanto abrem um novo capítulo sobre outras. Por meio do trabalho contínuo, os pesquisadores esperam entender como certos tipos de vícios funcionam e, talvez, desenvolver tratamentos direcionados.
“Não é como se algumas moléculas estivessem mudando aqui ou ali. O circuito está se reorganizando muito mais cedo e com muito menos exposição à droga do que se poderia imaginar.”
- Narayanan 'Bobby' Kasthuri, neurocientista, Argonne/UChicago
Em recente artigo publicado na revista eLife, os pesquisadores descrevem como eles estão construindo no campo florescente da conectômica, o desenvolvimento de mapas 3D altamente detalhados e precisos de cada neurônio no cérebro e suas conexões.
Por sua vez, a equipe se propôs a identificar mais claramente o processo pelo qual a dopamina é transmitida pelos neurônios, já que eles não fazem conexões físicas convencionais, onde os sinais são transferidos pelas sinapses.
“As evidências sugerem que esses neurônios despejam dopamina no espaço extracelular, ativando neurônios próximos que possuem receptores sensores de dopamina”, diz Gregg Wildenberg, investigador principal do projeto. “Mas a conectômica tem pouco a dizer sobre esses tipos de circuitos porque eles não fazem conexões típicas, então queríamos entrar nessa área para ver como realmente funcionava.”
Quais alterações anatômicas nos circuitos de dopamina, se houver, são causadas por drogas de abuso, como a cocaína?
Wildenberg é um cientista da equipe no laboratório de Narayanan “Bobby” Kasthuri, um importante pesquisador de neurociência em Argonne e professor assistente na UChicago. Uma de suas motivações para o projeto foi entender o envolvimento da dopamina no vício. Quais alterações anatômicas nos circuitos de dopamina, se houver, são causadas por drogas de abuso, como a cocaína?
A obtenção desse nível de detalhe exigia o emprego do microscópio eletrônico de série tridimensional de grande volume de Argonne. Um microscópio de alta potência capaz de visualizar os menores detalhes do cérebro, permitiu uma visão mais íntima dos neurônios dopaminérgicos de uma seleção de camundongos sensibilizados com cocaína e animais de controle.
Usando recursos da Universidade de Chicago, a equipe coletou aproximadamente 2,000 seções de 40 nanômetros de espessura (1 mm = 1 milhão de nm) de seções associadas à dopamina do mesencéfalo e do prosencéfalo.
A partir dessas amostras, o SEM gerou uma coleção de imagens 2D individuais, totalizando mais de 1.5 terabytes de dados. Estes foram reagrupados digitalmente usando o cluster de visualização, Cooley, no Argonne Leadership Computing Facility, uma instalação do usuário do DOE Office of Science.
Esse processo cria um volume 3D que permite aos pesquisadores identificar e rastrear diferentes características anatômicas dos neurônios dopaminérgicos, o que, até recentemente, era um desafio.
“O salto de fé neste projeto foi que seríamos capazes de detectar mudanças anatômicas que podem estar acontecendo em qualquer ponto do cérebro”, disse Kasthuri, co-investigador do projeto. “Podemos pegar essa fatia microscópica do cérebro e encontrar algo que seja quantitativamente diferente? Essa também é parte da razão pela qual escolhemos a cocaína, porque pensamos que o que está acontecendo provavelmente está acontecendo sistemicamente em todo o cérebro”.
Os resultados determinaram que, de fato, os neurônios dopaminérgicos não fazem conexões físicas, exceto em alguns casos raros. E o último pode sugerir que os neurônios dopaminérgicos não são idênticos; que pode existir uma subclasse diferente que esteja inclinada a fazer mais conexões físicas.
Uma análise conectômica dos cérebros de camundongos tratados com cocaína mostra que os axônios da dopamina sofrem dois grandes eventos de remodelação anatômica: 1) os axônios aumentam o número médio de ramos que fazem (imagem superior), 2) enquanto simultaneamente podam ou removem os axônios existentes. Crédito: Imagem de Gregg Wildenberg, Laboratório Nacional da Universidade de Chicago/Argonne.
Em geral, eles descobriram que pequenos inchaços, ou varicosidades – locais responsáveis pela liberação de dopamina – podem ser classificados em quatro tipos diferentes com base, em parte, no tamanho e na quantidade de vesículas transportadoras de neurotransmissores que cada varicosidade contém.
Alguns desses inchaços, eles descobriram, eram desprovidos de quaisquer vesículas, levando alguns críticos a acusar que eles não poderiam ser definidos como locais de liberação adequados. Essas varizes vazias, dizem eles, provavelmente indicam que pode haver outros componentes moleculares, além da presença de vesículas, que definem os locais de liberação de dopamina.
“Sugerimos que é possível que essas varicosidades vazias tenham todo o maquinário molecular para liberar dopamina, mas pode ser que as vesículas de dopamina estejam sendo transportadas ativamente por todo o axônio e acabamos de capturar um instantâneo no tempo em que algumas estão vazias”, disse Wildenberg.
A porção de cocaína do estudo produziu duas grandes mudanças, ambas focadas nos axônios, os cabos ultrafinos que se projetam dos neurônios. Como as árvores, os axônios brotam gavinhas que se ramificam em direção a outros axônios para fornecer sinais. Depois de expor os camundongos à cocaína, a equipe encontrou um aumento nessa ramificação.
Em um resultado totalmente inesperado, eles também descobriram que cerca de metade dos axônios estudados formavam enormes inchaços, ou bulbos, em vários locais ao longo do axônio. A correlação mais próxima a esses bulbos aparece em animais em desenvolvimento, nas junções onde os neurônios encontram os músculos. Em alguns casos, um axônio se retrai, ou é podado, e então incha em uma grande estrutura semelhante a um bulbo.
A equipe viu sinais de brotação e retração, às vezes no mesmo axônio. Segundo os pesquisadores, a descoberta representa a primeira documentação desse comportamento acontecendo no contexto de um modelo de doença.
“O circuito está se reorganizando muito mais cedo e com muito menos exposição à droga do que se poderia imaginar.”
- Narayanan “Bobby” Kasthuri, cientista da Argonne e professor assistente da UChicago
“Agora sabemos que existe uma base anatômica para drogas de exposição”, observou Kasthuri. ?“Esses animais receberam uma ou duas injeções de cocaína e já, depois de dois ou três dias, vimos mudanças anatômicas generalizadas.”
“Não é como se algumas moléculas estivessem mudando aqui ou ali”, acrescentou. "O circuito está se reorganizando muito mais cedo e com muito menos exposição à droga do que qualquer um poderia imaginar."
Embora o estudo tenha ajudado a elucidar questões de forma, função e dinâmica no sistema de dopamina, também apresenta novas questões importantes relacionadas à exposição repetida e dependência, bem como tratamento e recuperação.
Primeiramente, o cérebro pode superar os rearranjos estruturais introduzidos pelas drogas viciantes, com base em sua plasticidade em outras áreas? Os resultados desta pesquisa e a acessibilidade a ferramentas poderosas de descoberta são a chave para responder a esses tipos de perguntas no futuro.
Referência: “Rotulagem específica do tipo de célula e conectomas parciais de circuitos dopaminérgicos revelam comunicação não sináptica e remodelação axonal em larga escala após exposição à cocaína” por Gregg Wildenberg É autor correspondente, Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical, Chad Heer, Mark Sheffield, Xiaoxi Zhuang, Daniel McGehee e Bobby Kasthuri, 29 de dezembro de 2022, eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.71981
Outros autores do artigo foram Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical e Chad Heer, juntamente com Asst. Prof. Mark Sheffield, Prof. Xiaoxi Zhuang e Assoc. Prof. Daniel McGehee.
Financiamento: McKnight Foundation, National Institutes of Health, National Science Foundation
