O cerebelo tem um papel estabelecido na manutenção do equilíbrio e da postura, e na coordenação dos movimentos motores. Danos ao cerebelo podem prejudicar a coordenação do movimento muscular, o que é conhecido como ataxia. Existem muitas causas genéticas de ataxia. A ataxia espinocerebelar do tipo 3 (SCA3), também conhecida como doença de Machado-Joseph (MJD), é causada por uma expansão anormal da sequência CAG no gene ATXN3. Uma característica da SCA3 é a ataxia progressiva. No presente estudo, os laboratórios da Dra. Patrícia Maciel e do Dr. Kamran Khodakhah uniram esforços para avançar no entendimento dos mecanismos que impulsionam a etiologia da SCA3.

Um modelo de camundongo da SCA3, CMVMJD135, foi gerado no laboratório da Dra. Patrícia Maciel em 2014. Esse camundongo expressa a isoforma ATXN3c humana mutada, contendo 135 repetições CAG, sob o controle de um promotor viral (CMV). No camundongo, esse promotor permite uma expressão estável e global da ATXN3c humana mutada. Esses camundongos apresentam sintomas motores que progridem com a idade, e uma acumulação de inclusões nucleares da proteína ataxina-3 em células cerebrais (sintomas comparáveis aos observados em pacientes com SCA3).

Nesse novo estudo, o laboratório do Dr. Khodakhah reavaliou a progressão dos sintomas motores no modelo de camundongo CMVMJD135. Eles utilizaram dois testes de comportamento motor: o teste de campo aberto e o teste de piso de hastes paralelas. Em ambos os testes, os camundongos com SCA3 mostraram uma piora da coordenação motora com o passar da idade, apresentando uma maior frequência de quedas e mobilidade reduzida. Apresentaram ainda perda neuronal nos núcleos cerebelares profundos a partir de cerca de 56 semanas de vida. Isso é uma idade bem avançada em camundongos! Em pacientes com SCA3, a perda de células nos núcleos cerebelares profundos também acontece em estágios mais avançados da doença.

Os neurônios, um tipo de célula do cérebro, carregam informação sobre a taxa de disparo. A taxa de disparo é a linguagem utilizada pelos neurônios no cérebro para comunicarem entre si. As células nos núcleos cerebelares profundos carregam informações relacionadas ao movimento na taxa de disparo. No cerebelo, o tempo dessas mensagens é muito importante para garantir movimentos precisos. A eletrofisiologia é uma ferramenta utilizada por pesquisadores para ouvir e gravar as mensagens comunicadas por neurônios. Nesse estudo, os pesquisadores usaram a eletrofisiologia para gravar as atividades dos neurônios dos núcleos cerebelares profundos em camundongos de diferentes idades. Eles descobriram que as mensagens eram irregulares já a partir de 12 semanas de idade, quando os sintomas motores anormais são geralmente leves. Surpreendentemente, à medida que os animais envelheciam, as mensagens permaneciam as mesmas e não pioravam com o passar do tempo.

Os circuitos do cerebelo têm sido estudados detalhadamente por diversos laboratórios, então nós temos um bom entendimento dos vários tipos celulares e suas trocas de informações. Para determinar a fonte da irregularidade das mensagens nas células dos núcleos cerebelares profundos, os pesquisadores se voltaram para as células de Purkinje.  As células dos núcleos cerebelares profundos recebem mensagens das células de Purkinje, um dos tipos principais de célula do cerebelo. As células de Purkinje são uma potência computacional, porque elas recebem e processam muitas mensagens antes de retransmiti-las às células dos núcleos cerebelares profundos. Gravações das células de Purkinje dos camundongos com SCA3 também foram irregulares com 12 semanas de idade. Da mesma forma que nas células dos núcleos cerebelares profundos, não houve progressão ou aumento da irregularidade nas células de Purkinje com o envelhecimento dos camundongos. Esses dados provavelmente implicam as células de Purkinje como fonte das mensagens erráticas nos núcleos cerebelares profundos.

Para investigar mais a fundo as mensagens codificadas nas células de Purkinje, os pesquisadores realizaram eletrofisiologia de preparados cerebelares de camundongos com SCA3 de diferentes idades. As células de Purkinje são intrinsicamente ativas, o que significa que elas têm uma linguagem interna, mesmo quando não recebem informações de outras células. Em camundongos com SCA3 com 12 e 34 semanas de idade, a linguagem intrínseca foi altamente irregular, mas somente em uma região anatômica específica do cerebelo. Com a linguagem intrínseca das células de Purkinje alterada, a habilidade de codificar corretamente as mensagens também será prejudicada. Com isso, como na brincadeira de telefone sem fio, uma mensagem errada é transmitida pelas células de Purkinje para os núcleos cerebelares profundos, provavelmente resultando em movimentos anormais.

Esse estudo, portanto, mostra que, no início do curso da doença em camundongos com SCA3, tanto as células de Purkinje quanto as células dos núcleos cerebelares profundos codificam mensagens defeituosas. Como essas mensagens defeituosas não pioram com o passar do tempo, não houve correlação direta entre as mensagens codificadas e a piora dos sintomas motores com a idade. Os autores concluíram que a comunicação dessas mensagens defeituosas pode ser uma fonte de disfunção motora e contribuir para o sintoma de ataxia. Nesse caso, a identificação de mecanismos que melhorem a comunicação das células do cerebelo poderia ser uma boa estratégia terapêutica para esse modelo de camundongo de SCA3 e, talvez, mais adiante, para os pacientes. Além da ataxia, os pacientes de SCA3 apresentam outros sintomas motores que podem envolver áreas do cérebro fora do cerebelo, incluindo o tronco cerebral. Similarmente, no modelo de camundongo de SCA3, os defeitos motores medidos nos testes de campo aberto e de piso de hastes paralelas podem ser uma combinação de mensagens defeituosas não limitadas ao cerebelo. Enquanto o cerebelo tem um papel crucial na coordenação dos movimentos, ele está altamente conectado a outras regiões do cérebro, recebendo e enviando mensagens. Portanto, estudos adicionais são necessários para determinar as contribuições dessas outras regiões cerebrais para a fisiopatologia no modelo de camundongo de SCA3.