Neurociências e o Conhecimento sobre o Cérebro Humano

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Neurociências e o Conhecimento sobre o Cérebro Humano
Neurosciences and The Knowledge about The Human Brain
Daniel Damiani | [email protected]
Universidade Anhembi Morumbi, Programa de Pós-Graduação em Educação. São Paulo, SP,
Brasil
Anna Maria Damiani | [email protected]
Universidade Anhembi Morumbi, Programa de Pós-Graduação em Educação. São Paulo, SP,
Brasil
Resumo
O artigo apresenta alguns aspectos históricos considerados relevantes para os atuais avanços em
neuroanatomia e neurofisiologia. O famoso acidente com Phineas Gage; as áreas de Brodmann; a
frenologia de Gall; bem como o estado da arte atual em neurociência, incluindo a optogenética nos
estudos da microestrutura cerebral como também as modalidades de imagem funcional com o
connectome e a tratografia nos estudos de macroestrutura cerebral são abordados. Uma visão geral
sobre o passado, presente e aonde a neurociência chegará no manejo dos problemas relacionados aos
transtornos neurológicos.
PALAVRAS-CHAVE: Neurociência,
Neurofisiologia, Neuroanatomia.
Tractografia,
Optogenética,
Áreas
Funcionais
Cerebrais,
Abstract
The article presents some relevant historical aspects to current advances in neuroanatomy and
neurophysiology. The famous accident with Phineas Gage; Brodmann areas; the phrenology of Gall; and
the recently state of the art in neuroscience, including optogenetics studies of brain microstructure as
well as functional imaging modalities with connectome and tractography studies of brain
macrostructure are addressed. An overview of past, present and where neuroscience will arrive in
handling problems related to neurological disorders.
KEY-WORDS: Neuroscience, Tractography, Optogenetics, Brain Functional Areas, Neurophysiology,
Neuroanatomy.
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Introdução
Não é de hoje o fascínio que envolve os diversos mecanismos de
funcionamento do sistema nervoso, o ser humano há séculos busca entender o que
acontece no cérebro humano, de que forma ele funciona, como está interligado com
os diversos órgãos do corpo e como exerce seu preciso comando sobre os demais
órgãos. Diversas teorias ao longo dos séculos foram propostas: um órgão enclausurado
dentro da inexpansível caixa craniana, tão vedado que já acreditamos ser intocável,
inacessível, a sede da alma humana. Como compreender aquilo que não enxergamos,
que não sentimos e que não tocamos...? Constituído por dobras (circunvoluções) e
com uma complexa anatomia, inicia-se uma desafiadora jornada rumo à compreensão
do sistema nervoso. O ser humano é o que é porque possui um cérebro, apresenta
"livre-arbítrio" porque seu cérebro o permite tal liberdade de expressão. Mozart,
Rembrandt, Michellangelo, Freud, Einstein, gênios em suas competências específicas
só o foram porque um sistema de organização extremamente complexo, que até certo
ponto nos assusta, os permitiu tais feitos1,2.
Hipócrates há muito já descrevia com brilhantismo ímpar, acerca das doenças
sagradas, e que daquele órgão poderíamos esperar desde um insight brilhante até um
comportamento bizarro dado seu estado de funcionamento e equilíbrio neuroquímico.
Sim, Hipócrates estava certo, desse órgão podemos esperar tudo, inclusive a
antecipação dos nossos atos, colocando em cheque nosso "livre-arbítrio": antes de
realizarmos um desejo, um ato motor, uma apresentação de uma idéia, nosso cérebro
já o fez, milésimos de segundos antes ele já viveu aquilo que queremos tanto vivenciar.
Será que temos mesmo essa liberdade toda que pensamos ter?
Há séculos atrás, acreditava-se estar no coração a sede de todas as nossas
funções vitais: a vida estaria concentrada nos nossos átrios e ventrículos e, a partir
daquela região, a vida alcançaria os demais órgãos. Por muitos séculos, os sentimentos
foram atribuídos a esse órgão do sistema cardiovascular, uma verdadeira bomba
muscular que impulsiona nosso sangue rico em nutrientes para todo nosso corpo,
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servindo-o do combustível necessário para sobrevivência: água, oxigênio, glicose,
vitaminas...3,4,5
Um Golpe de Neurociência em Vermon!
Foi no verão de 1848, na Nova Inglaterra que um acidente grave traz luz às
neurociências: Phineas Gage de 25 anos trabalhando em uma estrada de ferro,
construindo trilhos em Vermont na direção da cidade de Cavendish às margens do Rio
Negro. Gage distrai-se ao executar seu trabalho de implosão de rochas sendo vítima de
uma grave explosão onde uma barra de ferro entra na sua face esquerda, através de
sua órbita, atingindo e fraturando a base do seu crânio com perfuração cerebral e
perda de massa encefálica saindo pelo topo da sua cabeça, arremessando-o a 30
metros do local da explosão. Levado consciente e deambulando ao consultório do Dr.
John Harlow, é realizada antissepsia com produtos químicos disponíveis naquele
momento. Num período inferior a dois meses Phineas Gage é considerado curado e,
nas palavras de John Harlow: "Eu tratei-o, Deus curou-o". Após alguns meses da lesão,
em reavaliações constantes com o Dr. Harlow, Phineas Gage mostrava-se diferente:
caprichoso, irreverente, usando linguagem obscena, impaciente, obstinado por vezes,
mas vacilante e fazendo planos que eram abandonados com muita facilidade... sendo
uma criança em suas manifestações e capacidades intelectuais, porém com paixões
animais de um homem maduro: "Gage não era mais Gage". Em 21 de Maio de 1861,
Phineas Gage morre em São Francisco vítima do estado de mal epiléptico com 38 anos
de idade (figura 1).
Matriz de Phineas Gage. O caso de Phineas Gage não é o único descrito onde
há padrões de lesões pré-frontais com sintomatologia padronizada: Brickner em 1932
estuda um caso de uma lesão pré-frontal devido a presença de um meningioma,
ressecado pelo próprio Brickner, no entanto, sua ressecção foi um pouco mais extensa
comparada à lesão sofrida por Gage. Como consequência funcional, seu paciente
jamais conseguiu retornar ao seu trabalho, apesar de fazer constantemente planos
para tal. Perdeu a censura social, vangloriava-se das façanhas sexuais e violentas.
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Apesar de suas capacidades intelectuais estarem intactas, a tomada de decisão ficou
extremamente prejudicada. Hebb e Penfield descrevem em 1940 um caso de lesão
frontal num indivíduo de 16 anos de idade seguido por uma descrição feita por S.S.
Ackerly e Benton em 1948 de uma lesão frontal logo após o nascimento: em ambas, as
consequências foram muito piores comparadas às de Gage, já que as personalidades
desses indivíduos ainda não tinham se formado. Naquele momento, uma nova
perspectiva se apresentava aos estudos sobre o cérebro humano: havia uma área
cerebral específica responsável pelo comportamento humano? Posteriormente
descrita e estudada anatomicamente, como a região ventromediana do lobo frontal
(segundo alguns autores, é neste local anatômico aonde está o cruzamento da razão
com a emoção). Estudos realizados por Egas Moniz em 1936 acerca da leucotomia préfrontal destinava-se a tratar ansiedade e a agitação associadas a doenças psiquiátricas,
tais como o transtorno obsessivo-compulsivo e a esquizofrenia. Em sua forma original,
a cirurgia produzia pequenas lesões na massa branca profunda nos dois lobos frontais.
A idéia de Moniz era a de que haviam projeções formando circuitos anormalmente
hiperativos e repetitivos. As primeiras cirurgias realmente reduziram a ansiedade
patológica sem envolvimento das funções intelectuais, no entanto, como efeito
colateral, produziram um estado de calma extrema. As emoções pareceram
estagnadas, os doentes pareciam não sentir sofrimento. Um comportamento
evidenciado nos pacientes leucotomizados pré-frontais foi sua incapacidade de tomar
decisões. Um outro cenário clínico particularmente interessante diz respeito às lesões
cerebrais nos hemisférios direitos (basicamente o lobo parietal direito) que cursavam
com anosognosia (o paciente nega sua própria hemiplegia a esquerda), e mais curioso
ainda é o forma como o próprio paciente recebe a notícia da lesão cerebral, sempre de
forma muito tranquila e nada emocional 2,12,13.
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Figura 1. Acidente em Vermon. Phineas Gage é alvo de uma explosão e uma barra de metal penetra sua
base do crânio causando lesão pré-frontal e alteração do seu comportamento. A imagem da esquerda
mostra o trajeto da barra de metal que penetrou o crânio de Phineas Gage. À direita, homenagem feita
a Gage, encontrada atualmente12.
Lesões do Complexo Amigdalóide. Uma região situada numa localização
profunda da substância branca do lobo temporal, anterior aos hipocampos, sendo
parte integral do sistema límbico (aonde atribui-se as emoções), está presente um
complexo de diversos núcleos que, em conjunto, é denominado amígdala. Por se tratar
de diversos núcleos, alguns autores preferem denominar essa região como complexo
amigdalóide. Raros são os casos de lesões exclusivas do complexo amigdalóide
bilateralmente. Porém, quando isso ocorre, há uma clássica inadaptação social e
pessoal, sua insensatez não é diferente daquela observada na lesão sofrida por
Phineas Gage ou naqueles doentes que apresentam anosognosia; as lesões bilaterais
do complexo amigdalóide provocam um comportamento profundamente anormal com
alterações emocionais importantes. Os indivíduos não sentem mais medo e perdem a
capacidade de avaliar e evitar o perigo, colocando suas vidas em risco. Essa lesão é
descrita pela primeira vez, em 1939 por Heinrich Kluver e Paul Bucy, sendo
denominada síndrome de Kluver-Bucy. Nos dias atuais, os sintomas atribuídos a
síndrome de Kluver-Bucy são vistos nos pacientes com demências de Alzheimer,
doença de Parkinson, coréia de Huntington como também nas vítimas de
traumatismos cranioencefálicos.
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Lesões no Cíngulo Anterior. A região do giro do cíngulo anterior, imediatamente
situada acima do sulco do corpo caloso e abaixo do sulco do cíngulo, têm sido atribuída
à movimentação, emoção e a atenção. Nos casos em que ocorrem lesões vasculares
acometendo essa região em específico, a paciente repentinamente apresenta
acinetismo e mutismo, limitando-se à cama, onde permanece de olhos abertos, porém
sem expressão facial emocional.
Um Toque de Frenologia...
Fundada por Franz Joseph Gall no final do século XVIII, a frenologia (estudo da
mente) obteve grande sucesso em Viena, Weimar e Paris, sendo levada a América por
seu discípulo Johann Caspar Spurzheim, misturando conceitos de psicologia primitiva,
neurociências e filosofia prática. A frenologia teve grande influência na ciência do
século XIX. Algumas idéias de Gall realmente foram surpreendentes para a época,
separando por completo a idéia dualista vigente na época, que separava por completo
a biologia da mente. Intuiu brilhantemente que existiam muitas partes que formavam
esse órgão chamado cérebro e que, cada uma dessas regiões possuía uma
especialização funcional, totalmente independentes umas das outras. O que sabe-se
hoje é que Gall falha nessa sua última conclusão; o cérebro é totalmente interligado
funcionalmente, o que levou mais dois séculos, após Gall, para ser descoberto. No
entanto, apesar do brilhantismo de algumas idéias preconizadas por Gall, críticas que
chegaram a banalizar a frenologia devem ser consideradas, talvez sendo a maior delas
a idéia de que diferentes "órgãos" cerebrais geravam faculdades mentais que eram
proporcionais aos seus tamanhos (como índice de potência) e, pior ainda, poderiam
ser identificados externamente através das superfícies cranianas (figura 2) 12,13,14.
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Figura 2. Frenologia proposta por Gall e disseminada por JC Spurzheim. As áreas funcionais cerebrais,
segundo essa ciência, poderia ser localizada sobre a superfície do crânio8.
As Áreas de Brodmann
A partir dos estudos de Gall e Spurzheim com a frenologia, Korbinian Brodmann
em 1909 publica a monografia que iria influenciar toda a neurociência até os dias
atuais. Seus estudos são usados até os dias de hoje quando pesquisadores e médicos
querem mapear o sistema nervoso central. Brodmann utiliza estudos de Paul Broca e
Karl Wernicke (que enfatizam, respectivamente, as áreas da fala e área da integração
sensitiva) para aprofundar seus estudos acerca da citoarquitetura cerebral, através de
análise histológica detalhada da superfície cerebral e atribuir funções às mesmas,
enumerando-as. Pela primeira vez, há uma descrição funcional cerebral com clara
discriminação anatômica, considerando o próprio tecido cerebral. Influenciado pelos
conceitos Darwinianos, Brodmann integra o conhecimento funcional que se dispunha
naquela época com as análises histológicas do córtex cerebral realizadas em seu
laboratório (Neurobiologisches Laboratorium) em Berlim. A presença de células
específicas em determinadas regiões permitiu a Brodmann uní-las funcionalmente e
atribuir números a elas, determinando regiões semelhantes histologicamente que
corresponderiam também a semelhanças funcionais. Como resultado do seu trabalho,
Brodmann descreve um mapa funcional que é utilizado mais de um século após sua
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publicação em 1909, composto por 52 áreas, mapeadas com os números 1-52,
delimitadas por semelhança histológica. No cérebro humano, no entanto, diferente
dos macacos, há uma gap entre as áreas 12-16 e 48-51, não tendo sido encontradas
por Brodmann no cérebro humano, constituindo 43 áreas funcionais.
Figura 3. Foto de Brodmann e sua monografia publicada em 1909 com seu mapa estrutural da superfície
cortical realizado através de estudos histológicos.
Figura 4. Áreas funcionais de Brodmann delimitadas por números (1-52) 20,21,23.
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Apesar de impressionante, Brodmann deixa clara a limitação do seu trabalho:
destaca que seu mapeamento foi apenas sobre a superfície cortical, não considerando
a profundidade dos giros nem mesmo suas transições funcionais nos sulcos profundos
do cérebro humano. Estudos realizados nos dias atuais avaliando a expressão gênica
das regiões corticais mapeadas por Brodmann oferecem um mapa muito parecido ao
descrito por Brodmann, mostrando sua proximidade funcional (figura 4).
A Década do Cérebro
A neurociência ganha grande impulso com a década do cérebro (1990-2000)
proclamada pelo ex-presidente norte-americano George Bush com grande
investimento financeiro direcionado às pesquisas. As instituições de ensino passaram a
pagar menos impostos por financiar os avanços das pesquisas em neurociências. Sem
sombra de dúvidas com avanço tecnológico, a pesquisa também avança muito nos dias
atuais. A biologia molecular bem como as técnicas de imagem, e suas atuais
ferramentas modificaram por completo a compreensão sobre a fisiopatologia das
doenças. Todas as doenças possuem um caráter genético; a biologia molecular nos
direciona para a identificação do cromossomo e do gene responsável pela
apresentação clínica, abrindo campo para uma futura interferência no processo
natural da doença. A tecnologia revela in vivo a atividade cerebral, colocando em
cheque os conceitos de Brodmann, até então, dogmáticos.
Nessas duas áreas, a cada dia, surgem ferramentas novas, incorporando mais
informações aos conhecimentos prévios. Com tantos novos conhecimentos, diferentes
profissionais com diferentes habilidades e formações acadêmicas são necessários para
integrar um time denominado neuropesquisadores (figura 5).
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Figura 5. Relação multidisciplinar que envolve as neurociências.
As funções do sistema nervoso estão em pleno processo de compreensão:
tanto no aspecto microscópico quanto ao aspecto macroscópico. Diversas técnicas de
biologia molecular são utilizadas para entender os processos fisiopatológicos que
envolvem o sistema nervoso, a ponto de surgir um "idioma" próprio para essas
aplicações.
Microescala de Estudo em Neurociências
O estado da arte atual em escala micro e nanogenética inclui os estudos em
óptica, genética e bioengenharia. O momento é de transição em neurogenética com a
elaboração de um método de pesquisa denominado optogenética. Um dos pioneiros
do método, o americano Edward Boyden, isola uma proteína de uma alga do mar
sensível a luz; na presença da luz a alga apresenta fluorescência. O pesquisador
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identifica essa proteína como uma rodopsina pertencente a uma família de proteínas,
verdadeiros canais iônicos, sensíveis a diversos comprimentos de onda luminosa. As
canalorodopsinas são canais iônicos de sódio e sensíveis ao espectro luminoso da cor
azul, ativando-as quando iluminadas. Diferentemente das canalorodopsinas, as
arquirodopsinas ou halorodopsinas são canais de cloreto sensíveis ao espectro
luminoso correspondente à cor laranja, inibindo-as quando iluminadas. Por técnica de
transfecção gênica, um promotor é colocado ao lado do gene que deverá ser ativado
quando inserido no material genético celular no neurônio. Sintetizado o promotor bem
como o gene, previamente mapeado, basta que um vírus (lentivírus ou adenovírus)
leve a informação que deverá ser incorporada ao núcleo do neurônio para que o
mesmo possa expressar a rodopsina específica em sua membrana celular. Inserida a
informação no núcleo celular, a proteína é expressa; agora, submetida ao espectro
luminoso cuja sensibilidade é previamente conhecida, o neurônio será ativado, inibido
ou modulado conforme o objetivo da pesquisa (figura 6)16,17,18,19.
Figura 6. Estudos em optogenética. A. Canalorodopsina ativada por feixe luminoso azul, abrindo os
canais de sódio e ativando o circuito neuronal. B. Halorodopsina ativada por feixe luninoso laranja,
abrindo os canais de cloreto e inibindo o circuido neuronal. C. Apenas algumas células expressam uma
rodopsina (aquelas que conseguem estimular um promotor gênico específico), enquando outras não o
estimulam17,18.
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Esse método poderá ser um marco na pesquisa em neurociências, a partir
dessa metodologia, terapias específicas para doença de Alzheimer, esclerose múltipla,
Parkinson,
distrofias
musculares,
neuroplasticidade,
esquizofrenias,
psicoses,
depressões, obesidade, ansiedade, epilepsia, cânceres, distonias, cefaléias, dentre
outras, poderão ser aplicadas com o mínimo de efeitos colaterais. O conhecimento
neuroanatômico também terá uma precisão nunca antes vista; mais do que apenas
uma localização espacial, o cérebro será conhecido funcionalmente.
Macroescala de Estudo em Neurociências
As doenças são observadas também sob o ponto de vista macroscópico, através
da utilização de neuroimagens. O que apenas parecia ser possível enxergar em 2Dimensões (2D) com a utilização de raio X simples, hoje, se faz possível em 3Dimensões (3D) com tomografia computadorizada, angiotomografia computadorizada,
ressonância magnética em sequências de imagens variadas com perfusão e difusão,
ressonância magnética funcional, magnetoencefalografia, tractografia por ressonância
magnética (DTI), tomografia por emissão de pósitrons (PET), até aparelhos de
ressonância de alta resolução com a utilização de 7 Teslas como potência, capaz de
revelar fibras de condução nervosa, feixes nervosos, fascículos que interligam núcleos
cerebrais16,17,20,22.
...E o Futuro nas Neurociências?
Finalmente, na união dos avanços das tecnologias em micro e macroescalas nas
neurociências, aparece com muita força os estudos relacionados ao mapeamento
estrutural e funcional do cérebro humano. O connectome utiliza técnicas de
neuroimagem com ressonância magnética do encéfalo para mapear os circuitos
neuronais
responsáveis
pela
fala,
motricidade,
memória,
visão,
audição,
sensiblidadade, bem como suas interconecções envolvendo as áreas corticais e
subcorticais. O termo connectome foi introduzido no sentido de traduzir nossa
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compreensão da célula nervosa e mapeá-la funcionalmente atribuindo-a ao seu
circuito neuronal correspondente. O princípio da técnica parte da compreensão a
partir da macroescala até o isolamento de uma única célula nervosa (microescala)
através da neuroimagem. Sebastian Seung publica em 2012 seu livro intitulado
"Connectome: How the Brain's wiring makes us who we are" populariza a utilização do
método com a promessa de uma compreensão mais ampla do sistema nervoso (figura
7)20,21,22.
A compreensão da neurocircuitaria cerebral é de fundamental importância para
o diagnóstico neurológico bem como para as propostas terapêuticas. Doenças até
então descritas, porém pouco compreendidas em termos de sinais e sintomas,
poderão ser melhor manejadas se visualizadas em suas escalas microestruturais com
optogenética, por exemplo, até macroestruturais com ressonâncias magnéticas de alta
resolução, tractografias e connectomes. Um cenário particularmente interessante
proposto por Antônio Damásio acerca do funcionamento do cérebro humano propõe
um aeroporto em seu conteúdo estrutural e funcional: imagine pessoas sentadas
aguardando seus vôos, pessoas desembarcando, pessoas se despedindo, conversas
paralelas acontecendo ao mesmo tempo, aeronaves decolando e alinhando-se para o
pouso, equipes de comunicação nas torres de controle, equipes de manutenção
carregando e descarregando aeronaves....basicamente é isso que a compreensão da
circuitaria neuronal propoe; circuitos muitas vezes imbricados, úteis a diferentes
funções
que
ocorrem
de
forma
concomitante
poderão
ser
melhor
compreendidos4,5,6,13,14,15.
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Figura 7. Imagem de ressonância magnética funcional sobreposta a técnica utilizando o connectome 5.
Conclusões
A proposta deste artigo foi trazer para os dias atuais um pouco da história das
neurociências, destacando seus principais cientistas que produziram o conhecimento
utilizado para o aprimoramento das técnicas utilizadas hoje em dia. Hipócrates,
Galeno, Vesalius, Ramon y Cajal, Golgi, Brodmann, Charcot, Harvey Cushing, dentre
tantos outros, sempre serão lembrados como pioneiros em muitos desses conceitos
que modificaram a história da humanidade. Nos dias atuais temos diversos
personagens que se destacam por feitos equiparáveis aos de seus antecessores,
apenas para mencionar: Edward Boyden, Sebastian Seung, Eric Kandel (prêmio nobel
de medicina em 2000). Os métodos atuais utilizados, das bancadas de laboratórios até
os consultórios médicos são completamente diferentes quando comparados aos
utilizados há 50 anos atrás. Os profissionais das neurociências devem ter isso em
mente para fazer uso daquilo que há de melhor para encontrar a solução para seus
problemas.
Quanto ao futuro, o que esperar? Difícil dizer. Claramente os estudos tanto
microestruturais quanto macroestruturais estão convergindo para à compreensão
plena do órgão mais complexo que já existiu; será que um dia todas as perguntas serão
respondidas e a compreensão será total? ,9,15, 18, 19, 20.
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