Seu foco de pesquisa é a parte mais externa do cérebro, o córtex, que é responsável por muitas funções, incluindo a percepção sensorial
Estudo revela que o som parece alterar a conectividade em áreas de processamento auditivo anteriormente em desenvolvimento do que se pensava anteriormente; mesmo antes do canal auditivo abrir.
Os cientistas ainda não responderam à velha pergunta sobre se o som molda ou como o som molda as mentes dos fetos no útero, e as gestantes muitas vezes se perguntam sobre os benefícios de atividades como tocar música durante a gravidez.
Agora, em experimentos em camundongos recém-nascidos, cientistas da Johns Hopkins relatam que os sons parecem mudar padrões de "fiação" em áreas do cérebro que processam o som mais cedo do que os cientistas suporam e mesmo antes do canal auditivo abrir.
Os experimentos atuais envolvem camundongos recém-nascidos, que têm canais auditivos que abrem 11 dias após o nascimento. Em fetos humanos, o canal auditivo abre no pré-natural, com cerca de 20 semanas de gestação.
As descobertas, publicadas online em 12 de fevereiro na Science Advances,podem eventualmente ajudar os cientistas a identificar maneiras de detectar e intervir em fiação anormal no cérebro que podem causar problemas auditivos ou outros sensores.
"Como cientistas, estamos procurando respostas para perguntas básicas sobre como nos tornamos quem somos", diz Patrick Kanold, Ph.D., professor de engenharia biomédica na Universidade Johns Hopkins e na Faculdade de Medicina. "Especificamente, estou olhando como nosso ambiente sensorial nos molda e quão cedo no desenvolvimento fetal isso começa a acontecer."
Kanold começou sua carreira em engenharia elétrica, trabalhando com microprocessadores, um conduíte natural para sua mudança para a ciência e estudando os circuitos do cérebro.
Seu foco de pesquisa é a parte mais externa do cérebro, o córtex, que é responsável por muitas funções, incluindo a percepção sensorial. Abaixo do córtex está a matéria cerebral branca que em adultos contém conexões entre neurônios.
Em desenvolvimento, a matéria branca também contém os chamados neurônios subplaques, alguns dos primeiros a se desenvolver no cérebro — com cerca de 12 semanas de gestação para humanos e a segunda semana embrionária em camundongos. O anatomista Mark Molliver, da Johns Hopkins, é creditado por descrever algumas das primeiras conexões entre neurônios formados em matéria branca, e ele cunhou o termo neurônios subplato em 1973.
Esses neurônios subplaques primordiais eventualmente morrem durante o desenvolvimento em mamíferos, incluindo camundongos. Em humanos, isso acontece pouco antes do nascimento nos primeiros meses de vida. Mas antes de morrerem, eles fazem conexões entre um portal chave no cérebro para todas as informações sensoriais, o tálamo e as camadas médias do córtex.
"O tálamo é o intermediário da informação dos olhos, ouvidos e pele para o córtex", diz Kanold. "Quando as coisas dão errado no tálamo ou suas conexões com o córtex, problemas neurodesenvolvimento ocorrem."
Em adultos, os neurônios do tálamo se estendem e projetam estruturas longas e semelhantes a braços chamados axônios para as camadas médias do córtex, mas no desenvolvimento fetal, os neurônios subplato se sentam entre o tálamo e o córtex, agindo como uma ponte.
No final dos axônios há um nexo para comunicação entre neurônios chamados sinapses. Trabalhando em furões e camundongos, Kanold mapeou anteriormente os circuitos de neurônios subplatos. Kanold também descobriu anteriormente que os neurônios subplacos podem receber sinais elétricos relacionados ao som antes de qualquer outro neurônio cortical.
A pesquisa atual, que Kanold começou em sua posição anterior na Universidade de Maryland, aborda duas questões, ele diz: Quando os sinais sonoros chegam aos neurônios subplatos, alguma coisa acontece, e pode uma mudança nos sinais sonoros mudar os circuitos cerebrais nestas idades jovens?
Primeiro, os cientistas usaram camundongos geneticamente modificados que não têm uma proteína nas células ciliadas no ouvido interno. A proteína é essencial para transformar o som em um pulso elétrico que vai para o cérebro; a partir daí é traduzido em nossa percepção de som. Sem a proteína, o cérebro não recebe o sinal.
Nos camundongos surdos de uma semana, os pesquisadores viram cerca de 25% – 30% mais conexões entre neurônios subplatos e outros neurônios do córtex, em comparação com camundongos de uma semana com audição normal e criados em um ambiente normal. Isso sugere que os sons podem mudar os circuitos cerebrais em uma idade muito jovem, diz Kanold.
Além disso, dizem os pesquisadores, essas mudanças nas conexões neurais estavam acontecendo cerca de uma semana antes do que normalmente visto. Os cientistas haviam assumido anteriormente que a experiência sensorial só pode alterar circuitos corticais depois que os neurônios no tálamo alcançam e ativam as camadas médias do córtex, que em camundongos é em torno do tempo em que seus canais auditivos abrem (em torno de 11 dias).
"Quando os neurônios são privados de entrada, como o som, os neurônios estendem a mão para encontrar outros neurônios, possivelmente para compensar a falta de som", diz Kanold. "Isso está acontecendo uma semana antes do que pensávamos, e nos diz que a falta de som provavelmente reorganiza conexões no córtex imaturo."
Damesma forma que a falta de som influencia as conexões cerebrais, os cientistas pensaram que era possível que sons extras pudessem influenciar as conexões precoces dos neurônios em camundongos auditivos normais, também.
Para testar isso, os cientistas colocaram audição normal, filhotes de rato de 2 dias de idade em um gabinete silencioso com um alto-falante que soa um bipe ou em um gabinete silencioso sem um alto-falante. Os cientistas descobriram que os filhotes de rato no recinto silencioso sem o som do bipe tinham conexões mais fortes entre neurônios subplaque e cortical do que no gabinete com o som do bipe. No entanto, a diferença entre os ratos alojados nos apitantes e recintos silenciosos não era tão grande quanto entre os ratos surdos e os criados em um ambiente sonoro normal
Esses camundongos também tinham mais diversidade entre os tipos de circuitos neurais que se desenvolveram entre os neurônios subplaque e cortical, em comparação com os filhotes de rato auditivo normal criados em um recinto silencioso sem som. Os camundongos auditivos normais criados no recinto silencioso também tinham conectividade de neurônios nas regiões subplato e córtex semelhantes aos dos camundongos surdos geneticamente modificados.
"Nesses camundongos vemos que a diferença na experiência sonora precoce deixa um traço no cérebro, e essa exposição ao som pode ser importante para o neurodesenvolvimento", diz Kanold.
A equipe de pesquisa está planejando estudos adicionais para determinar como a exposição precoce ao som impacta o cérebro mais tarde no desenvolvimento. Em última análise, eles esperam entender como a exposição sonora no útero pode ser importante no desenvolvimento humano e como explicar essas mudanças de circuito ao encaixar implantes cocleares em crianças nascidas surdas. Eles também planejam estudar assinaturas cerebrais de bebês prematuros e desenvolver biomarcadores para problemas envolvendo a inconteamento de neurônios subplatos.
Financiamento: O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Instituto Nacional de Saúde sobre Surdez e outros Transtornos Auditivos (R01DC009607) e pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais (R01GM056481).
Outros cientistas que contribuíram para o trabalho incluem Xiangying Meng e Didhiti Mukherjee na Johns Hopkins e Joseph Kao da Faculdade de Medicina da Universidade de Maryland.
Em Breve este Estudo sairá na Revista Science Advances
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