Há quase 50 anos, neurocientistas descobriram células dentro do hipocampo do cérebro que armazenam memórias de locais específicos. Essas células também desempenham um papel importante no armazenamento de memórias de eventos, conhecidas como memórias episódicas. Embora o mecanismo de como as células de lugar codificam a memória espacial tenha sido bem caracterizado, continua sendo um enigma como elas codificam memórias episódicas.

Um novo modelo desenvolvido por pesquisadores do MIT explica como essas células de lugar podem ser recrutadas para formar memórias episódicas, mesmo quando não há componente espacial. De acordo com esse modelo, as células de lugar, junto com as células de grade encontradas no córtex entorrinal, agem como um andaime que pode ser usado para ancorar memórias como uma série vinculada.

“Este modelo é um primeiro rascunho do circuito de memória episódica entorrinal-hipocampal. É uma base para construir para entender a natureza da memória episódica. É isso que realmente me entusiasma”, diz Ila Fiete, professora de ciências cognitivas e cerebrais no MIT, membro do Instituto McGovern de Pesquisa Cerebral do MIT e autora sênior do novo estudo.

O modelo replica com precisão várias características dos sistemas de memória biológica, incluindo a grande capacidade de armazenamento, a degradação gradual de memórias mais antigas e a capacidade das pessoas que competem em competições de memória de armazenar enormes quantidades de informação em “palácios da memória”.

O cientista pesquisador do MIT Sarthak Chandra e Sugandha Sharma PhD '24 são os autores principais do estudo, que aparece hoje na Nature . Rishidev Chaudhuri, professor assistente na University of California em Davis, também é autor do artigo.

Para codificar a memória espacial, as células de lugar no hipocampo trabalham em conjunto com as células de grade — um tipo especial de neurônio que dispara em muitos locais diferentes, dispostos geometricamente em um padrão regular de triângulos repetidos. Juntas, uma população de células de grade forma uma rede de triângulos representando um espaço físico.

Além de nos ajudar a lembrar de lugares onde estivemos, esses circuitos hipocampais-entorrinais também nos ajudam a navegar por novos locais. De pacientes humanos, sabe-se que esses circuitos também são essenciais para a formação de memórias episódicas, que podem ter um componente espacial, mas consistem principalmente em eventos, como a forma como você comemorou seu último aniversário ou o que você comeu no almoço ontem.

“Os mesmos circuitos hipocampais e entorrinais são usados não apenas para memória espacial, mas também para memória episódica geral”, diz Fiete. “A pergunta que você pode fazer é qual é a conexão entre memória espacial e episódica que as faz viver no mesmo circuito?”

Duas hipóteses foram propostas para explicar essa sobreposição de função. Uma é que o circuito é especializado para armazenar memórias espaciais porque esses tipos de memórias — lembrar onde a comida estava localizada ou onde os predadores foram vistos — são importantes para a sobrevivência. Sob essa hipótese, esse circuito codifica memórias episódicas como um subproduto da memória espacial.

Uma hipótese alternativa sugere que o circuito é especializado para armazenar memórias episódicas, mas também codifica memória espacial porque a localização é um aspecto de muitas memórias episódicas.

Neste trabalho, Fiete e seus colegas propuseram uma terceira opção: que a estrutura peculiar de ladrilhos das células da grade e suas interações com o hipocampo são igualmente importantes para ambos os tipos de memória — episódica e espacial. Para desenvolver seu novo modelo, eles se basearam em modelos computacionais que seu laboratório vem desenvolvendo na última década, que imitam como as células da grade codificam informações espaciais.

“Chegamos ao ponto em que senti que entendíamos em algum nível os mecanismos do circuito das células da grade, então parecia que era o momento de tentar entender as interações entre as células da grade e o circuito maior que inclui o hipocampo”, diz Fiete.

No novo modelo, os pesquisadores levantaram a hipótese de que as células da grade interagindo com as células do hipocampo podem atuar como um andaime para armazenar memória espacial ou episódica. Cada padrão de ativação dentro da grade define um “poço”, e esses poços são espaçados em intervalos regulares. Os poços não armazenam o conteúdo de uma memória específica, mas cada um atua como um ponteiro para uma memória específica, que é armazenada nas sinapses entre o hipocampo e o córtex sensorial.

Quando a memória é acionada mais tarde a partir de pedaços fragmentários, as interações da grade e das células do hipocampo conduzem o estado do circuito para o poço mais próximo, e o estado no fundo do poço se conecta à parte apropriada do córtex sensorial para preencher os detalhes da memória. O córtex sensorial é muito maior que o hipocampo e pode armazenar grandes quantidades de memória.

“Conceitualmente, podemos pensar no hipocampo como uma rede de ponteiros. É como um índice que pode ser completado por padrão a partir de uma entrada parcial, e esse índice então aponta para o córtex sensorial, onde essas entradas foram experimentadas em primeiro lugar”, diz Fiete. “O andaime não contém o conteúdo, ele contém apenas esse índice de estados abstratos do andaime.”

Além disso, eventos que ocorrem em sequência podem ser interligados: cada poço na rede célula-hipocampo armazena eficientemente as informações necessárias para ativar o próximo poço, permitindo que as memórias sejam recuperadas na ordem correta.

O novo modelo dos pesquisadores replica vários fenômenos relacionados à memória com muito mais precisão do que os modelos existentes baseados em redes de Hopfield — um tipo de rede neural que pode armazenar e recuperar padrões.

Embora as redes de Hopfield ofereçam insights sobre como as memórias podem ser formadas pelo fortalecimento das conexões entre neurônios, elas não modelam perfeitamente como a memória biológica funciona. Nos modelos de Hopfield, cada memória é lembrada em detalhes perfeitos até que a capacidade seja atingida. Nesse ponto, nenhuma nova memória pode se formar e, pior, tentar adicionar mais memórias apaga todas as anteriores. Esse "penhasco da memória" não imita com precisão o que acontece no cérebro biológico, que tende a esquecer gradualmente os detalhes de memórias mais antigas enquanto novas são continuamente adicionadas.

O novo modelo do MIT captura descobertas de décadas de gravações de células de grade e hipocampais em roedores feitas enquanto os animais exploram e forrageiam em vários ambientes. Ele também ajuda a explicar os mecanismos subjacentes para uma estratégia de memorização conhecida como palácio da memória. Uma das tarefas em competições de memória é memorizar a sequência embaralhada de cartas em um ou vários baralhos de cartas. Eles geralmente fazem isso atribuindo cada carta a um ponto específico em um palácio da memória — uma memória de uma casa de infância ou outro ambiente que eles conhecem bem. Quando precisam lembrar das cartas, eles passeiam mentalmente pela casa, visualizando cada carta em seu lugar à medida que avançam. Contraintuitivamente, adicionar a carga de memória de associar cartas a locais torna a lembrança mais forte e confiável.

O modelo computacional da equipe do MIT foi capaz de executar tais tarefas muito bem, sugerindo que os palácios da memória aproveitam a estratégia do próprio circuito de memória de associar entradas a um andaime no hipocampo, mas um nível abaixo: memórias adquiridas há muito tempo reconstruídas no córtex sensorial maior podem agora ser pressionadas a servir como um andaime para novas memórias. Isso permite o armazenamento e a recuperação de muito mais itens em uma sequência do que seria possível de outra forma.

Os pesquisadores agora planejam desenvolver seu modelo para explorar como memórias episódicas podem ser convertidas em memória "semântica" cortical, ou a memória de fatos dissociados do contexto específico em que foram adquiridos (por exemplo, Paris é a capital da França), como episódios são definidos e como modelos de memória semelhantes aos do cérebro podem ser integrados ao aprendizado de máquina moderno.

A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciências no âmbito do programa Robust Intelligence, pelo prêmio ARO-MURI, pela Fundação Simons e pelo Centro K. Lisa Yang ICoN.