Para alguém que não é um superfan Sherlock, a neurocientista cognitiva Janice Chen conhece o drama de detective de sucesso da BBC melhor do que a maioria. Com a ajuda de um scanner cerebral, ela espiona o que acontece dentro da cabeça dos espectadores quando eles assistem ao primeiro episódio da série e depois descrevem o enredo.
Chen, uma pesquisadora da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland, ouviu todo tipo de variações em uma cena inicial, quando uma mulher flerta com o famoso detetive afastado em um necrotério. Algumas pessoas acham Sherlock Holmes mal-educado, enquanto outras acham que ele não se apercebe dos avanços nervosos da mulher. Mas Chen e seus colegas acharam algo estranho quando escanearam os cérebros dos espectadores: como pessoas diferentes recontaram suas próprias versões da mesma cena, seus cérebros produziram padrões de atividade notavelmente similares1.
Chen está entre um número crescente de pesquisadores usando imagens do cérebro para identificar os padrões de atividade envolvidos na criação e lembrança de uma memória específica. Poderosas inovações tecnológicas na neurociência humana e animal na última década estão permitindo aos pesquisadores descobrir regras fundamentais sobre como as memórias individuais se formam, se organizam e interagem entre si. Usando técnicas para rotular neurônios ativos, por exemplo, equipes localizaram circuitos associados à memória de um estímulo doloroso em roedores e reativaram com sucesso esses caminhos para acionar a memória. E em humanos, estudos têm identificado as assinaturas de lembranças particulares, que revelam algumas das formas como o cérebro organiza e liga as memórias para ajudar na lembrança. Tais descobertas poderiam um dia ajudar a revelar por que as memórias falham na velhice ou na doença, ou como as falsas memórias se infiltram no testemunho de testemunhas oculares. Essas descobertas também podem levar a estratégias para melhorar a aprendizagem e a memória.
Sheena Josselyn descreve o trabalho para imaginar a memória na mente.
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O trabalho representa um dramático afastamento da pesquisa anterior da memória, que identificou locais e mecanismos mais gerais. “Os resultados dos roedores e humanos estão agora realmente se aproximando”, diz a neurocientista Sheena Josselyn no Hospital para Crianças Doentes em Toronto, Canadá. “Não consigo imaginar querer olhar para mais nada”
Em busca do engrama
O traço físico de uma única memória – também chamado de engrama – há muito tempo evitou a captura. O psicólogo americano Karl Lashley foi um dos primeiros a persegui-la e dedicou grande parte de sua carreira à busca. A partir de 1916, ele treinou ratos para correr através de um simples labirinto, e depois destruiu um pedaço de córtex, a superfície externa do cérebro. Então ele os colocou no labirinto novamente. Muitas vezes o tecido cerebral danificado fazia pouca diferença. Ano após ano, a localização física das memórias dos ratos permanecia indefinida. Resumindo sua ambiciosa missão em 1950, Lashley escreveu2: “Às vezes sinto, ao rever a evidência sobre a localização do traço de memória, que a conclusão necessária é que a aprendizagem simplesmente não é possível”
Memória, afinal, é um processo altamente distribuído, não relegado a nenhuma região do cérebro. E diferentes tipos de memória envolvem diferentes conjuntos de áreas. Muitas estruturas importantes para a codificação e recuperação da memória, como o hipocampo, encontram-se fora do córtex – e Lashley sentiu a sua falta em grande parte. A maioria dos neurocientistas agora acredita que uma determinada experiência faz com que um subconjunto de células através destas regiões dispare, mude sua expressão gênica, forme novas conexões e altere a força das existentes – mudanças que coletivamente armazenam uma memória. A recolha, de acordo com as teorias actuais, ocorre quando estes neurónios disparam novamente e reproduzem os padrões de actividade associados à experiência passada.
Os cientistas têm trabalhado alguns princípios básicos desta estrutura alargada. Mas testar teorias de nível superior sobre como grupos de neurônios armazenam e recuperam pedaços específicos de informação ainda é um desafio. Somente na última década, novas técnicas de rotulagem, ativação e silenciamento de neurônios específicos em animais permitiram aos pesquisadores identificar quais neurônios compõem uma única memória (veja ‘Manipulação da memória’).
Crédito: Jasiek Krzysztofiak/Natureza
Josselyn ajudou a liderar esta onda de pesquisa com alguns dos primeiros estudos para capturar engramação de neurônios em ratos3. Em 2009, ela e sua equipe aumentaram o nível de uma proteína chave de memória chamada CREB em algumas células da amígdala (uma área envolvida no processamento do medo), e mostraram que esses neurônios eram especialmente propensos a disparar quando os ratos aprendiam, e mais tarde lembraram, uma associação temerosa entre um tom auditivo e choques nos pés. Os pesquisadores argumentaram que se essas células CREB-boosted fossem uma parte essencial do engrama do medo, então eliminá-las apagaria a memória associada com o tom e removeria o medo dos animais. Então a equipe usou uma toxina para matar os neurônios com aumento dos níveis de CREB, e os animais esqueceram permanentemente seu medo.
Poucos meses depois, o grupo de Alcino Silva na Universidade da Califórnia, Los Angeles, alcançou resultados semelhantes, suprimindo memórias de medo em ratos através da inibição bioquímica dos neurônios produtores de CREB4. No processo, eles também descobriram que a qualquer momento, células com mais CREB são mais excitáveis eletricamente do que seus vizinhos, o que poderia explicar sua prontidão para registrar as experiências recebidas. “Em paralelo, os nossos laboratórios descobriram algo completamente novo – que existem regras específicas pelas quais as células se tornam parte do engrama”, diz Silva.
Mas estes tipos de estudo de supressão de memória esboçam apenas metade do engrama. Para provar sem dúvida que os cientistas estavam de fato olhando para os engramas, eles tinham que produzir memórias sob demanda, também. Em 2012, o grupo de Susumu Tonegawa no Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge relatou a criação de um sistema que poderia fazer exatamente isso.
Ao manipular geneticamente células cerebrais em ratos, os investigadores podiam etiquetar os neurónios disparados com uma proteína sensível à luz. Eles visavam os neurônios no hipocampo, uma região essencial para o processamento da memória. Com o sistema de etiquetagem ligado, os cientistas deram aos animais uma série de choques nos pés. Os neurônios que responderam aos choques produziram a proteína sensível à luz, permitindo que os pesquisadores identificassem as células que constituem a memória. Eles poderiam então disparar esses neurônios usando luz laser, revivendo a memória desagradável para os ratos5. Em um estudo de acompanhamento, a equipe de Tonegawa colocou os ratos em uma nova gaiola e deu choques nos pés, ao mesmo tempo em que reativava os neurônios que formavam o engrama de uma gaiola ‘segura’. Quando os ratos foram devolvidos à gaiola segura, eles congelaram de medo, mostrando que a memória temerosa estava incorretamente associada a um lugar seguro6. Trabalhos de outros grupos mostraram que uma técnica similar pode ser usada para marcar e depois bloquear uma determinada memória7,8.
Esta coleção de trabalhos de múltiplos grupos construiu um caso forte de que o traço fisiológico de uma memória – ou pelo menos componentes chave deste traço – pode ser fixado a neurônios específicos, diz Silva. Ainda assim, os neurônios em uma parte do hipocampo ou da amígdala são apenas uma pequena parte de um temível engrama de choque de pés, que envolve vistas, cheiros, sons e incontáveis outras sensações. “É provavelmente em 10-30 regiões diferentes do cérebro – isso é apenas um palpite selvagem”, diz Silva.
Um pincel mais amplo
Avanços na tecnologia de imagem do cérebro em humanos estão dando aos pesquisadores a capacidade de fazer zoom out e olhar para a atividade de todo o cérebro que compõe um engrama. A técnica mais utilizada, a ressonância magnética funcional (fMRI), não consegue resolver neurônios isolados, mas, em vez disso, mostra manchas de atividade em diferentes áreas do cérebro. Convencionalmente, a fMRI tem sido usada para escolher as regiões que respondem mais fortemente a várias tarefas. Mas nos últimos anos, análises poderosas revelaram os padrões distintivos, ou assinaturas, de atividade cerebral que aparecem quando as pessoas se lembram de experiências particulares. “É uma das revoluções mais importantes da neurociência cognitiva”, diz Michael Kahana, um neurocientista da Universidade da Pensilvânia, na Filadélfia.
O desenvolvimento de uma técnica chamada multi-voxel pattern analysis (MVPA) tem catalisado esta revolução. Às vezes chamado de decodificação cerebral, o método estatístico tipicamente alimenta os dados de fMRI em um algoritmo de computador que automaticamente aprende os padrões neurais associados a pensamentos ou experiências específicas. Como estudante de pós-graduação em 2005, Sean Polyn – agora neurocientista da Universidade Vanderbilt em Nashville, Tennessee – ajudou a liderar um estudo seminal aplicando MVPA à memória humana pela primeira vez9. Em sua experiência, os voluntários estudaram fotos de pessoas famosas, locais e objetos comuns. Usando dados da fMRI coletados durante esse período, os pesquisadores treinaram um programa de computador para identificar padrões de atividade associados ao estudo de cada uma dessas categorias.
Later, uma vez que os sujeitos estavam no scanner e listaram todos os itens que eles puderam lembrar, as assinaturas neurais específicas da categoria reapareceram alguns segundos antes de cada resposta. Antes de nomear uma celebridade, por exemplo, surgiu o padrão de atividade ‘celebridade’, incluindo a ativação de uma área do córtex que processa faces. Foi uma das primeiras evidências directas de que quando as pessoas recuperam uma memória específica, o seu cérebro revisita o estado em que se encontrava quando codificou essa informação. “Foi um trabalho muito importante”, diz Chen. “Eu definitivamente considero meu próprio trabalho um descendente direto.”
Chen e outros têm desde então refinado suas técnicas para decodificar memórias com precisão crescente. No caso dos estudos de Chen Sherlock, seu grupo descobriu que os padrões de atividade cerebral em 50 cenas do episódio de abertura poderiam ser claramente distinguidos uns dos outros. Esses padrões eram notavelmente específicos, às vezes contando cenas separadas que incluíam ou não Sherlock, e aquelas que ocorriam dentro ou fora de casa.
Near o hipocampo e em vários centros de processamento de alto nível, como o córtex medial posterior, os pesquisadores viram os mesmos padrões de visualização de cenas se desdobrarem como cada pessoa contou mais tarde o episódio – mesmo que as pessoas tenham descrito cenas específicas de maneira diferente1. Eles até observaram uma actividade cerebral semelhante em pessoas que nunca tinham visto o programa mas que tinham ouvido os relatos dos outros10.
“Foi uma surpresa vermos a mesma impressão digital quando pessoas diferentes se estão a lembrar da mesma cena, descrevendo-a nas suas próprias palavras, lembrando-a da forma que quiserem”, diz Chen. Os resultados sugerem que os cérebros – mesmo em regiões de ordem superior que processam memória, conceitos e cognição complexa – podem ser organizados de forma mais semelhante entre as pessoas do que o esperado.
Moldagem de memórias
As novas técnicas fornecem um vislumbre do engrama, os pesquisadores podem começar a estudar não apenas como as memórias individuais se formam, mas como as memórias interagem umas com as outras e mudam com o tempo.
Na Universidade de Nova York, a neurocientista Lila Davachi está usando a MVPA para estudar como o cérebro ordena as memórias que compartilham conteúdos sobrepostos. Em um estudo de 2017 com Alexa Tompary, então uma estudante de pós-graduação em seu laboratório, Davachi mostrou fotos voluntárias de 128 objetos, cada um emparelhado com uma das quatro cenas – uma cena de praia apareceu com uma caneca, por exemplo, e depois um teclado; uma paisagem urbana foi emparelhada com um guarda-chuva, e assim por diante. Cada objeto apareceu com apenas uma cena, mas muitos objetos diferentes apareceram com a mesma cena11. No início, quando os voluntários combinaram os objectos com as suas cenas correspondentes, cada objecto desencadeou um padrão de activação cerebral diferente. Mas uma semana depois, os padrões neurais durante essa tarefa de recall tinham se tornado mais similares para objetos emparelhados com a mesma cena. O cérebro tinha reorganizado as memórias de acordo com a informação da cena compartilhada por eles. “Esse agrupamento poderia representar o início da aprendizagem da ‘essência’ da informação”, diz Davachi.
O agrupamento de memórias relacionadas também poderia ajudar as pessoas a usar o conhecimento anterior para aprender coisas novas, de acordo com a pesquisa da neurocientista Alison Preston da Universidade do Texas, em Austin. Em um estudo de 2012, o grupo de Preston descobriu que quando algumas pessoas vêem um par de imagens (como uma bola de basquete e um cavalo), e depois vêem outro par (como um cavalo e um lago) que compartilha um item comum, seus cérebros reativam o padrão associado ao primeiro par12. Esta reativação parece unir aqueles pares de imagens relacionadas; pessoas que mostraram este efeito durante a aprendizagem foram melhores em reconhecer uma conexão mais tarde – implícita, mas nunca vista – entre as duas imagens que não apareceram juntas (neste caso, a bola de basquete e o lago). “O cérebro está fazendo conexões, representando informação e conhecimento que está além da nossa observação direta”, explica Preston. Este processo poderia ajudar em várias atividades cotidianas, como navegar em um ambiente desconhecido, inferindo relações espaciais entre alguns marcos conhecidos. Ser capaz de conectar informações relacionadas para formar novas idéias também pode ser importante para a criatividade, ou imaginar cenários futuros.
Em um estudo de acompanhamento, Preston começou a sondar o mecanismo por trás da ligação das memórias, e descobriu que as memórias relacionadas podem se fundir em uma única representação, especialmente se as memórias forem adquiridas em sucessão próxima13. Em uma notável convergência, o trabalho de Silva também descobriu que os ratos tendem a ligar duas memórias formadas de perto no tempo. Em 2016, seu grupo observou que quando os ratos aprenderam a temer choques nos pés em uma gaiola, também começaram a expressar medo em relação a uma gaiola inofensiva que haviam visitado algumas horas antes14. Os pesquisadores mostraram que os neurônios que codificam uma memória permaneceram mais excitáveis por pelo menos cinco horas após a aprendizagem, criando uma janela na qual um engrama parcialmente sobreposto poderia se formar. De fato, quando eles rotularam neurônios ativos, a equipe de Silva descobriu que muitas células participaram de ambas as memórias da jaula.
Estes achados sugerem alguns dos mecanismos neurobiológicos que ligam as memórias individuais em idéias mais gerais sobre o mundo. “Nossa memória não é apenas bolsos e ilhas de informação”, diz Josselyn. “Nós realmente construímos conceitos, e ligamos coisas que têm fios em comum entre elas”. O custo desta flexibilidade, porém, pode ser a formação de memórias falsas ou defeituosas: Os ratos de Silva ficaram com medo de uma gaiola inofensiva porque a sua memória dela se formou tão perto no tempo de uma memória temerosa de uma gaiola diferente. Extrapolando experiências únicas em conceitos abstratos e novas idéias corre-se o risco de perder algum detalhe das memórias individuais. E à medida que as pessoas vão recuperando memórias individuais, estas podem ficar ligadas ou confusas. “A memória não é um fenómeno estável”, diz Preston.
Pesquisadores agora querem explorar como memórias específicas evoluem com o tempo, e como elas podem ser remodeladas, distorcidas ou mesmo recriadas quando são recuperadas. E com a capacidade de identificar e manipular neurônios engramáticos individuais em animais, os cientistas esperam reforçar suas teorias sobre como as células armazenam e servem a informação – teorias que têm sido difíceis de testar. “Essas teorias são antigas e realmente intuitivas, mas nós realmente não conhecíamos os mecanismos por trás delas”, diz Preston. Em particular, ao identificar neurônios individuais que são essenciais para determinadas memórias, os cientistas podem estudar em maior detalhe os processos celulares pelos quais os neurônios-chave adquirem, recuperam e perdem informações. “Estamos numa espécie de idade de ouro agora”, diz Josselyn. “Temos toda esta tecnologia para fazer algumas perguntas muito antigas.”