Os sons influenciam o desenvolvimento do cérebro mais cedo do que se pensava

Os experimentos atuais envolvem camundongos recém-nascidos, que possuem canais auditivos que se abrem 11 dias após o nascimento. Em fetos humanos, o canal auditivo abre no período pré-natal, em cerca de 20 semanas de gestação.

Os resultados, publicados online em 12 de fevereiro em Science Advances , pode eventualmente ajudar os cientistas a identificar maneiras de detectar e intervir em fiação anormal no cérebro que pode causar problemas auditivos ou outros problemas sensoriais.

“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 e Escola de Medicina Johns Hopkins. “Especificamente, estou observando como nosso ambiente sensorial nos molda e como isso começa a acontecer no início do desenvolvimento fetal.”

Kanold começou sua carreira em engenharia elétrica, trabalhando com microprocessadores, um canal natural para sua mudança para a ciência e o estudo dos 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.

No desenvolvimento, a matéria branca também contém os chamados neurônios subplacas, alguns dos primeiros a se desenvolver no cérebro – – por volta da 12ª semana de gestação em humanos e na segunda semana embrionária em camundongos. O anatomista Mark Molliver, da Johns Hopkins, é creditado por descrever algumas das primeiras conexões entre neurônios formados na substância branca, e ele cunhou o termo neurônios de subplaca em 1973.

Esses neurônios de subplaca primordiais eventualmente morrem durante 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 intermediárias do córtex.

“O tálamo é o intermediário das informações dos olhos, ouvidos e pele para o córtex “, diz Kanold. “Quando as coisas dão errado no tálamo ou em suas conexões com o córtex, ocorrem problemas de neurodesenvolvimento.” Em adultos, os neurônios no tálamo se estendem e projetam estruturas semelhantes a braços, chamadas axônios, para as camadas intermediárias do córtex, mas no desenvolvimento fetal, os neurônios subplacas ficam entre o tálamo e o córtex, atuando como uma ponte. No final dos axônios está um nexo de comunicação entre neurônios chamado sinapses. Trabalhando com furões e ratos, Kanold mapeou previamente o circuito dos neurônios da subplaca. Kanold também descobriu que os neurônios de subplaca podem receber sinais elétricos relacionados ao som antes de qualquer outro neurônio cortical.

A pesquisa atual, que Kanold começou em seu cargo anterior na Universidade de Maryland, aborda dois perguntas, ele diz: Quando os sinais sonoros chegam aos neurônios da subplaca, algo acontece, e uma mudança nos sinais sonoros pode mudar os circuitos cerebrais nessas idades jovens?

Primeiro, os cientistas usaram geneticamente camundongos modificados sem proteína nas células ciliadas do 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 do som. Sem a proteína, o cérebro não recebe o sinal.

Nos camundongos surdos com 1 semana de idade, os pesquisadores viram cerca de 25% a 30% mais conexões entre neurônios de subplaca e outros neurônios do córtex, em comparação com camundongos de 1 semana de idade 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 ocorreram cerca de uma semana antes do que normalmente é visto. Os cientistas haviam assumido anteriormente que a experiência sensorial só pode alterar os circuitos corticais depois que os neurônios no tálamo alcançam e ativam as camadas intermediárias do córtex, o que em camundongos ocorre na época em que seus canais auditivos se abrem (por volta de 11 dias).

“Quando os neurônios são privados de entrada, como o som, os neurônios procuram 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 as conexões no córtex imaturo.”

Da mesma forma que a falta de som influencia o cérebro conexões, os cientistas pensaram que era possível que sons extras pudessem influenciar as conexões neuronais iniciais em camundongos com audição normal, também.

Para testar isso, os cientistas colocaram audição normal em camundongos de 2 dias de idade filhotes em um compartimento silencioso com um alto-falante que emite um bipe ou em um compartimento silencioso sem alto-falante. Os cientistas descobriram que os filhotes de camundongos no recinto silencioso, sem o som do bipe, tinham conexões mais fortes entre a subplaca e os neurônios corticais do que no recinto com o som do bipe. No entanto, a diferença entre os camundongos alojados em recintos silenciosos e sonoros não era tão grande quanto entre os camundongos surdos e aqueles criados em um ambiente normal de som.

Esses camundongos também tinham mais diversidade entre os tipos de circuitos neurais que se desenvolveram entre a subplaca e os neurônios corticais, em comparação com filhotes de camundongos com audição normal criados em um ambiente silencioso e sem som. Os camundongos com audição normal criados em ambiente silencioso também tinham conectividade de neurônios nas regiões de subplaca e córtex semelhante à dos camundongos surdos geneticamente modificados.

“Nestes camundongos, vemos que a diferença em a experiência sonora precoce deixa um rastro 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 ao som no útero pode ser importante no desenvolvimento humano e como levar em conta essas mudanças no circuito ao ajustar implantes cocleares em crianças nascidas surdas. Eles também planejam estudar assinaturas cerebrais de bebês prematuros e desenvolver biomarcadores para problemas envolvendo conexão incorreta de neurônios da subplaca.

O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Instituto Nacional de Surdez e outros tipos de audição do National Institutes of Health Distúrbios (R01DC009607) e o Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais (R01GM056481).