O Impacto da Experiência Visual no Desenvolvimento do Cérebro
Investigando como a visão precoce molda o desenvolvimento e a função neuronal no cérebro.
Larry Lawrence Zipursky, F. Xie, S. Jain, R. Xu, S. Butrus, Z. Tan, X. Xu, K. Shekhar
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Nossas experiências iniciais moldam como nosso cérebro se desenvolve. Por exemplo, numa parte do cérebro chamada córtex visual primário (V1), ver é necessário pra formar conexões que ajudam a gente a enxergar com os dois olhos. Em camundongos, essas conexões visuais importantes começam a se formar assim que os olhos deles se abrem, cerca de duas semanas depois do nascimento. No começo, tem bem poucos Neurônios que conseguem processar informações dos dois olhos, mas esse número cresce na semana seguinte. Entre 21 e 35 dias após o nascimento, esses neurônios ficam melhores em processar informações visuais por causa do que eles veem. Esse período de desenvolvimento é chamado de período crítico.
Tradicionalmente, os cientistas não analisavam de perto como as experiências visuais iniciais afetam os diferentes tipos de células que formam a área V1. Pra preencher essa lacuna, pesquisadores fizeram uma análise avançada da atividade gênica em neurônios de camundongos normais e de camundongos criados no escuro durante seu desenvolvimento. Com essa abordagem, eles puderam identificar quais tipos de células são afetados pela visão e como a atividade gênica delas muda. Eles descobriram que a privação visual teve um impacto significativo em certos tipos de neurônios, especialmente aqueles que liberam uma substância chamada Glutamato.
Esse artigo explora as maneiras como a privação visual afetou o desenvolvimento e a função desses neurônios importantes no V1. Ele detalha como os pesquisadores usaram técnicas de ponta pra revelar o funcionamento interno dessas células e os papéis que elas desempenham no processamento de informações visuais.
A Importância da Experiência Visual Inicial
As experiências visuais iniciais são fundamentais pra desenvolver os circuitos neurais que permitem que os animais vejam corretamente. Em mamíferos, incluindo humanos, o cérebro precisa receber entradas visuais pra criar conexões que funcionem pra visão. Essa entrada é especialmente importante durante momentos específicos do desenvolvimento, quando o cérebro é mais adaptável e capaz de mudar sua estrutura e função.
Nos camundongos, o período crítico pra desenvolver conexões que permitem ver com os dois olhos começa cerca de duas semanas após o nascimento, coincidindo com a hora que eles abrem os olhos pela primeira vez. Durante esse tempo, o número de neurônios capazes de processar informações dos dois olhos aumenta significativamente. Os pesquisadores mostraram que esses neurônios ficam mais ágeis em processar informações visuais à medida que recebem mais input visual.
Investigando Neurônios no V1
Pra entender quais células específicas são impactadas pela experiência visual inicial, os pesquisadores realizaram um experimento usando técnicas genéticas avançadas. Eles compararam a atividade de genes em neurônios de camundongos criados normalmente (com luz) com os que foram criados na completa escuridão. Eles coletaram amostras das fases de desenvolvimento que incluíam o período crítico e analisaram as diferenças entre os dois grupos.
A análise deles revelou impactos variados em diferentes tipos de neurônios dentro do V1, especialmente em neurônios Glutamatérgicos, que são chave pra transmitir informações visuais. Comparando os perfis dos neurônios de camundongos normais e de camundongos criados no escuro, os pesquisadores conseguiram ver como a ausência de entradas visuais afetou o desenvolvimento e a função neuronal.
Mapeando Tipos de Células e Expressão Gênica
Pra explorar melhor a disposição dos tipos de neurônios no V1, os pesquisadores usaram uma técnica chamada hibridização in situ fluorescente multiplexada e robusta contra erros, ou MERFISH. Esse método permite que os cientistas visualizem muitos genes de uma vez dentro do tecido cerebral. Eles escolheram um painel de 500 genes especificamente escolhidos pra ajudar a identificar diferentes tipos de células e seus estados no V1.
Os pesquisadores conseguiram analisar a posição dos neurônios, mostrando arranjos distintos com base nos tipos. Eles classificaram os neurônios em três grupos com base em suas características moleculares. Essa classificação facilitou a compreensão de como diferentes células se comportam e reagem a estímulos visuais.
Ao examinar os padrões de expressão de genes específicos dentro desses grupos, os cientistas puderam visualizar onde cada tipo de célula estava localizado nas camadas do cérebro. Eles confirmaram que os neurônios glutamatérgicos no V1 ocupam subcamadas específicas, ilustrando uma estrutura bem organizada que desempenha um papel no processamento visual.
Compreendendo a Variação Contínua Entre Neurônios
Uma das descobertas-chave da pesquisa é que existe um espectro contínuo de expressão gênica entre os neurônios no V1. Isso significa que, em vez de categorias claramente definidas, existe uma faixa de características que os neurônios podem expressar. Os pesquisadores usaram uma técnica chamada análise de pseudotempo de difusão pra ajudar a ilustrar esse continuum entre os neurônios glutamatérgicos L2/3.
A análise mostrou que, embora os neurônios sejam categorizados em tipos distintos, existem transições suaves entre essas categorias. Estudando essas transições, os pesquisadores podem obter insights sobre como as experiências influenciam as identidades e funções neuronais.
O Impacto da Privação Visual
Pra entender como a privação visual afeta o desenvolvimento neuronal, os pesquisadores observaram de perto os camundongos criados na escuridão. Eles identificaram um grande número de genes que foram expressos de maneira diferente ao comparar neurônios criados normalmente com os criados no escuro. Notavelmente, muitos desses genes são conhecidos como genes imediatos de início, que desempenham papéis cruciais nas respostas neuronais à estimulação.
A ausência de input visual levou à upregulação desses genes imediatos de início, ou seja, a atividade deles aumentou em resposta à falta de experiência visual. Esse aumento foi notado particularmente em áreas específicas dentro do córtex, confirmando que a experiência visual é fundamental para o funcionamento adequado desses genes.
Os pesquisadores também observaram diferenças nos padrões de expressão gênica entre tipos celulares específicos, indicando que a privação visual afeta de forma distinta suas identidades. Enquanto um grupo de neurônios (tipo A) permaneceu relativamente estável, os tipos B e C passaram por mudanças mais significativas.
Mudanças na Composição Neuronal
À medida que a equipe de pesquisa continuava sua investigação, eles notaram que a privação visual não só alterou a expressão gênica individual, mas também impactou a composição geral dos tipos neuronais no V1. As proporções de diferentes tipos de neurônios mudaram, sugerindo que a ausência de experiência visual muda a forma como esses neurônios estão organizados e funcionam.
Analisando a organização espacial dos neurônios de ambos os grupos, os pesquisadores conseguiram relacionar essas mudanças composicionais aos padrões de expressão gênica subjacentes. Eles criaram representações visuais pra mostrar como criar os camundongos na escuridão causou um movimento de neurônios ao longo do continuum de tipos, movendo-se principalmente longe dos tipos B e C.
Insights Finais
As descobertas dessa pesquisa destacam o papel importante que experiências visuais desempenham no desenvolvimento do cérebro. A falta dessas experiências durante Períodos Críticos pode levar a mudanças significativas na composição e função dos neurônios no V1. Embora algumas características da identidade neuronal permaneçam intactas, a experiência visual é vital pra manter o delicado equilíbrio entre diferentes tipos celulares.
Pesquisas futuras podem explorar mais como essas mudanças impactam aprendizado e comportamento e quais abordagens terapêuticas podem ajudar a corrigir os efeitos da privação visual. Ao entender como o cérebro se adapta à presença ou ausência de estímulos visuais, podemos obter insights sobre a saúde e o desenvolvimento do cérebro mais amplamente.
Esse trabalho demonstra que o cérebro não é um órgão estático, mas sim dinâmico e responsivo ao seu ambiente. As mudanças moleculares e estruturais que acontecem em resposta às experiências visuais sublinham a importância das experiências da vida inicial em moldar como o cérebro funciona ao longo da vida. Os insights obtidos dessa pesquisa podem abrir caminho para futuros estudos que busquem explorar a complexa relação entre experiência e função cerebral.
Título: Spatial profiling of the interplay between cell type- and vision-dependent transcriptomic programs in the visual cortex
Resumo: How early sensory experience during "critical periods" of postnatal life affects the organization of the mammalian neocortex at the resolution of neuronal cell types is poorly understood. We previously reported that the functional and molecular profiles of layer 2/3 (L2/3) cell types in the primary visual cortex (V1) are vision-dependent (Tan et al., Neuron, 108(4), 2020; Cheng et al., Cell, 185(2), 2022). Here, we characterize the spatial organization of L2/3 cell types with and without visual experience. Spatial transcriptomic profiling based on 500 genes recapitulates the zonation of L2/3 cell types along the pial-ventricular axis in V1. By applying multi-tasking theory (Adler et al., Cell Systems, 8, 2019), we suggest that the spatial zonation of L2/3 cell types is linked to the continuous nature of their gene expression profiles, which can be represented as a 2D manifold bounded by three archetypal cell types ("A", "B", and "C"). By comparing normally reared and dark reared L2/3 cells, we show that visual deprivation-induced transcriptomic changes comprise two independent gene programs. The first, induced specifically in the visual cortex, includes immediate-early genes and genes associated with metabolic processes. It manifests as a change in cell state that is orthogonal to cell type-specific gene expression programs. By contrast, the second program impacts L2/3 cell type identity, regulating a subset of cell type-specific genes and shifting the distribution of cells within the L2/3 manifold, with a depression of the B-type and C-type and a gain of the A-type. Through an integrated analysis of spatial transcriptomic measurements with single-nucleus RNA-seq data from our previous study, we describe how vision patterns L2/3 cortical cell types during the postnatal critical period. Significance statementLayer 2/3 (L2/3) glutamatergic neurons are important sites of experience-dependent plasticity and learning in the mammalian cortex. Their properties vary continuously with cortical depth and depend upon experience. Here, by applying spatial transcriptomics and different computational approaches in the mouse primary visual cortex, we show that vision regulates orthogonal gene expression programs underlying cell states and cell types. Visual deprivation not only induces an activity-dependent cell state, but also alters the composition of L2/3 cell types, which are appropriately described as a transcriptomic continuum. Our results provide insights into how experience shapes transcriptomes that may, in turn, sculpt brain wiring, function, and behavior.
Autores: Larry Lawrence Zipursky, F. Xie, S. Jain, R. Xu, S. Butrus, Z. Tan, X. Xu, K. Shekhar
Última atualização: 2024-10-17 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.12.18.572244
Fonte PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.12.18.572244.full.pdf
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