Novo Modelo Computacional Mapeia o Ciclo de Vesículas no Cérebro com Detalhes Sem Precedentes

Resumo

Um novo modelo computacional alcançou um nível de detalhe sem precedentes ao mapear o ciclo de vesículas no cérebro, oferecendo novas perspectivas sobre como as células nervosas se comunicam. Pesquisadores colaboraram para simular o funcionamento de vesículas — pequenos sacos que liberam neurotransmissores — dentro das sinapses. O modelo revela como proteínas como a sinapsina-1 e a tomosina-1 regulam o reciclamento de vesículas, permitindo a transmissão sináptica mesmo em taxas de disparo elevadas. Essa descoberta esclarece um mistério antigo na neurociência e abre caminho para um melhor entendimento de doenças como depressão e síndromes miastênicas.

Principais Fatos

• Fonte: OIST
• Como pensamos, sentimos, lembramos ou nos movemos? Esses processos envolvem a transmissão sináptica, na qual sinais químicos são transmitidos entre células nervosas usando contêineres moleculares chamados vesículas.
• Pesquisadores conseguiram modelar o ciclo de vesículas com um detalhe sem precedentes, revelando novas informações sobre o funcionamento do nosso cérebro.
• Um estudo conjunto, publicado na Science Advances, entre pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), no Japão, e do Centro Médico Universitário de Göttingen (UMG), na Alemanha, aplicou um sistema único de modelagem computacional.
• O modelo considera a interação complexa de vesículas, seus ambientes celulares, atividades e interações, criando uma imagem realista de como as vesículas suportam a transmissão sináptica.
• O modelo prevê parâmetros da função sináptica que não podiam ser testados experimentalmente no passado, abrindo novas rotas nas investigações em neurociência.

Artigo

Os avanços tecnológicos recentes permitiram que os cientistas experimentais capturassem quantidades cada vez maiores de dados. No entanto, o desafio agora está em integrar e interpretar todos os tipos diferentes de dados para entender as complexidades do cérebro, segundo o Professor Erik De Schutter, chefe da Unidade de Neurociência Computacional do OIST e coautor do estudo.

“Nosso modelo oferece um melhor detalhe molecular e espacial do ciclo de vesículas, muito mais rápido do que qualquer outro sistema anterior. E ele pode ser transferido para diferentes células e cenários também. É um grande salto rumo às aspirações científicas de simulação completa de células e tecidos”, afirma De Schutter.

Professor Silvio Rizzoli, diretor do Departamento de Fisiologia Neuro- e Sensorial do UMG e também coautor do estudo, complementa: “Vimos trabalhando em sinapses por mais de 20 anos, mas alguns passos funcionais eram difíceis de testar experimentalmente. Depois de vários anos de ajuste fino de trabalho experimental e computacional com nossos colegas japoneses, agora temos um modelo para testar novas hipóteses, especialmente no contexto de doenças neurológicas”.

O que é o ciclo de vesículas sinápticas?

O ciclo de vesículas descreve as etapas pelas quais os neurotransmissores (sinais químicos) são liberados em uma sinapse (uma junção entre células nervosas) para transferir informações entre as células. As vesículas que contêm neurotransmissores se movem e se ancoram na membrana, prontas para fundir e liberar seu conteúdo, antes de serem recicladas. O processo é iniciado por estímulo elétrico dentro do cérebro e é impulsionado por uma cascata de sinalização complexa.

Dependendo da situação, quantidades diferentes de neurotransmissores precisam ser liberadas ao longo de períodos de tempo diferentes. Para permitir uma transmissão sináptica controlada e sustentada, apenas 10-20% das vesículas estão disponíveis para se ancorar a qualquer momento (conhecidas como reserva de reciclagem). A maioria das vesículas está na reserva, imobilizada em um cluster. Muitos detalhes desse processo, incluindo como as vesículas se movem entre a reserva e a piscina de reciclagem, eram pouco conhecidos.

Os mecanismos do reciclamento de vesículas em altas frequências de estímulo

Na publicação, os pesquisadores lançam nova luz sobre o processo de reciclamento de vesículas em sinapses do hipocampo. Com seu modelo, eles visaram confirmar o comportamento das vesículas em frequências de disparo observadas experimentalmente e explorar comportamentos em frequências mais altas.

Eles descobriram que o ciclo de vesículas conseguia operar em altas frequências de estímulo, muito além do que é normalmente encontrado na natureza. Eles também conseguiram identificar algumas das razões por trás desse ciclo robusto, identificando os papéis das proteínas sinapsina-1 e tomosina-1 na regulação da liberação de vesículas da reserva clusterizada.

Os pesquisadores observaram que a eficiência do ciclo de vesículas dependia do ancoramento molecular. Ao conectar fisicamente algumas vesículas à membrana com tethers, um suprimento próximo de vesículas poderia ser disponibilizado para ancoragem rápida e liberação de neurotransmissores.

Essas descobertas importantes permitem um entendimento mais profundo do reciclamento de vesículas, um processo envolvido em muitas doenças diferentes. “Por exemplo, a liberação de neurotransmissores é prejudicada no botulismo ou em algumas síndromes miastênicas. Tratamentos para depressão e outras doenças neurológicas graves também muitas vezes se concentram na transmissão sináptica”, explica o Prof. De Schutter.

“À medida que expandimos nossos modelos, as aplicações potenciais são vastas, tanto no desenvolvimento de novas terapias quanto no aprofundamento de nossa compreensão fundamental de como o cérebro funciona”, afirma De Schutter.

Referências

“Dynamic Regulation of Vesicle Pools in a Detailed Spatial Model of the Complete Synaptic Vesicle Cycle” por Erik De Schutter et al. Science Advances.

DOI: 10.1126/sciadv.adq6477

Imagem: Créditos para Neuroscience News.

Fonte: OIST

Contato: Tomomi Okubo – OIST