A aprendizagem multissensorial liga os neurônios em uma cruz

Nature volume 617, páginas 777–784 (2023) Citar este artigo

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Associar múltiplas pistas sensoriais com objetos e experiências é um processo cerebral fundamental que melhora o reconhecimento de objetos e o desempenho da memória. No entanto, os mecanismos neurais que ligam as características sensoriais durante o aprendizado e aumentam a expressão da memória são desconhecidos. Aqui demonstramos memória multissensorial apetitiva e aversiva em Drosophila. A combinação de cores e odores melhorou o desempenho da memória, mesmo quando cada modalidade sensorial foi testada isoladamente. O controle temporal da função neuronal revelou que as células Kenyon do corpo cogumelo (KCs) visualmente seletivas são necessárias para o aprimoramento da memória visual e olfativa após o treinamento multissensorial. A imagem de voltagem em moscas com cabeça fixa mostrou que o aprendizado multissensorial liga a atividade entre fluxos de KCs específicos da modalidade, de modo que a entrada sensorial unimodal gera uma resposta neuronal multimodal. A ligação ocorre entre as regiões dos axônios KC olfativo e visual, que recebem reforço dopaminérgico relevante à valência e é propagada a jusante. A dopamina libera localmente a inibição GABAérgica para permitir que microcircuitos específicos dentro dos neurônios serotonérgicos que abrangem o KC funcionem como uma ponte excitatória entre os fluxos KC previamente "seletivos de modalidade". A ligação modal cruzada expande assim os KCs que representam o engrama de memória para cada modalidade naqueles que representam o outro. Essa ampliação do engrama melhora o desempenho da memória após o aprendizado multissensorial e permite que um único recurso sensorial recupere a memória da experiência multimodal.

A vida é uma rica experiência multissensorial para a maioria dos animais. Como resultado, os sistemas nervosos evoluíram para usar representações multissensoriais de objetos, cenas e eventos para orientar o comportamento de maneira mais eficaz1. É amplamente reconhecido que o aprendizado multissensorial melhora o desempenho da memória, desde crianças em sala de aula até roedores e insetos em experimentos controlados de laboratório2,3,4,5. Além disso, uma característica aparentemente universal e inexplicável da aprendizagem multissensorial é que ela melhora o desempenho da memória subseqüente, mesmo para os componentes unissensoriais separados3,5. Estudos em humanos e outros mamíferos sugeriram que o aprendizado multissensorial se beneficia das interações entre córtices específicos da modalidade que foram coativos durante o treinamento e que os sentidos individuais podem reativar ambas as áreas no teste3,6,7,8,9. Além disso, células em diferentes regiões do cérebro respondem a múltiplas pistas sensoriais e as proporções ou números mudam após o aprendizado multissensorial1,10,11,12. No entanto, atualmente não temos uma compreensão mecanicista detalhada de como o aprendizado multissensorial converte os neurônios de modalidades seletivas para multimodais e como o desempenho aprimorado da memória multissensorial e unissensorial pode ser suportado por tal processo.

Em Drosophila, populações únicas de KCs de corpo de cogumelo (MB) recebem entrada dendrítica predominante e anatomicamente segregada de neurônios olfativos ou de projeção visual (bem como interneurônios visuais locais) e seus axônios se projetam como fluxos paralelos nos lobos MB. Lá, compartimentos sucessivos da árvore axonal de cada KC são intersectados pelas pré-sinapses de neurônios dopaminérgicos (DANs) que transmitem os efeitos reforçadores de estímulos apetitivos ou aversivos13,14. O reforço da dopamina deprime as sinapses entre os KCs ativos e os dendritos restritos ao compartimento dos neurônios de saída MB a jusante para codificar memórias específicas de valência15,16,17.

Para estudar o aprendizado multissensorial em Drosophila, adaptamos o labirinto em T olfativo18 para que cores e odores possam ser apresentados juntos (Fig. 1a). As moscas privadas de comida foram treinadas apresentando-lhes uma cor e/ou odor (estímulo condicionado menos (CS-)), seguido de outra cor e/ou odor (estímulo condicionado mais (CS+)) emparelhado com uma recompensa de açúcar (Fig. 1a, b). Quando treinadas e testadas apenas com cores (aprendizado visual), as moscas não mostraram preferência aprendida significativa pela cor previamente pareada com açúcar (Fig. 1b–d e Dados Estendidos Fig. 1a). No entanto, combinar cores com odores (protocolo congruente) produziu memória robusta e duradoura, que foi significativamente melhorada em relação àquela formada por treinamento apenas com odores (aprendizado olfativo) (Fig. 1b-d e Dados Estendidos Fig. 1a,b). Se as combinações de cores e odores fossem trocadas entre o treinamento e o teste (protocolo incongruente) (Fig. 1b–d e Dados Estendidos Fig. 1a,b), nenhum aprimoramento de memória foi observado. Além disso, o aprimoramento da memória não era aparente se a mesma cor fosse apresentada com odores CS− e CS+ durante o treinamento e o teste (Dados Estendidos Fig. 1c). O efeito de aprimoramento da memória do aprendizado multissensorial, portanto, requer uma relação aprendida entre combinações específicas de cores e odores. Para a memória medida 6 h após o treinamento, o protocolo incongruente revelou desempenho significativamente diminuído em comparação com o aprendizado olfativo seguinte (Fig. 1d), sugerindo que as moscas entram em conflito quando a contingência cor-odor é alternada entre o treinamento e o teste.