Por Niall Firth
Stefan Siebert e Charles David
O disparo de cada neurônio no corpo de um animal foi registrado, ao vivo. O avanço na imagem do sistema nervoso de uma hidra – uma criatura minúscula e transparente relacionada à água-viva – à medida que ela se mexe e treme, tem proporcionado insights sobre como esses simples animais controlam seu comportamento.
Técnicas simples podem um dia nos ajudar a entender melhor como nossos próprios cérebros funcionam. “Isto pode ser importante não apenas para o cérebro humano, mas para a neurociência em geral”, diz Rafael Yuste na Universidade de Columbia em Nova York.
Em vez de um cérebro, a hidra tem o sistema nervoso mais básico da natureza, uma rede nervosa na qual os neurônios se espalham por todo o seu corpo. Mesmo assim, os pesquisadores ainda não sabem quase nada sobre como os poucos milhares de neurônios da hidra interagem para criar comportamento.
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Descobrir, Yuste e o colega Christophe Dupre modificaram geneticamente a hidra para que seus neurônios brilhassem na presença de cálcio. Como os íons cálcio aumentam em concentração quando os neurônios estão ativos e disparam um sinal, Yuste e Dupre foram capazes de relacionar o comportamento com a atividade em circuitos brilhantes de neurônios.
Por exemplo, um circuito que parece estar envolvido na digestão na cavidade do estômago da hidra tornou-se ativo sempre que o animal abriu sua boca para se alimentar. Este circuito pode ser um ancestral do nosso sistema nervoso intestinal, o par sugere.
Código neural
Um segundo circuito dispara quando a hidra contrai seu corpo em uma bola para se esconder dos predadores. Um terceiro parece sentir a luz e pode ajudar a avisar quando o animal deve comer – apesar de ser cego, a hidra precisa de luz para caçar e eles fazem mais disso pela manhã.
A equipe descobriu que nenhum neurônio era membro de mais de um circuito. Isto sugere que o animal desenvolveu redes distintas para cada reflexo – um arranjo primitivo, muito menos complexo que nossos próprios sistemas nervosos interconectados.
A hidra é o primeiro passo para quebrar o código neural – a forma como a atividade neural determina o comportamento, diz Yuste. “A hidra tem o ‘cérebro’ mais simples da história da Terra, então podemos ter uma chance de entender esses primeiro e depois aplicar essas lições a cérebros mais complicados”, diz ele.
Yuste espera que ver como os circuitos funcionam em tempo real possa levar a novos insights sobre o cérebro humano e nos dizer mais sobre doenças mentais como a esquizofrenia, por exemplo. “Não podemos curar pacientes até sabermos como o sistema funciona”, diz ele.
Yuste foi um dos vários neurocientistas, incluindo George Church da Universidade de Harvard, que lançou o Projeto Mapa de Atividades Cerebral em 2012. Foi um grito de alerta para os neurocientistas, convidando-os a registrar a atividade de cada neurônio no cérebro humano. O projeto forma a tábua central da Iniciativa BRAIN, lançada pela administração do Presidente Obama em 2013.
Aha momento
A hidra é agora o primeiro animal a ter um desses mapas criado para todo o corpo, embora a atividade de todo o cérebro do zebrafish também tenha sido mapeada de forma similar. O trabalho é um “marco impressionante que vale a pena comemorar”, diz Church. Mas escalar isso para roedores ou primatas será um grande desafio, diz ele.
Dale Purves, um neurocientista do Instituto Duke de Ciências do Cérebro, Carolina do Norte, duvida se o animal será útil para nos entendermos. “Você tem que perguntar: este é um animal que vai se juntar à mosca da fruta, verme e rato como um organismo modelo para olhar na busca de entender melhor o sistema nervoso?”, diz ele. “Infelizmente a minha resposta seria não.”
Mas Yuste está agora a colaborar com outras sete equipas para decifrar o código neural da hidra. Eles querem ter uma compreensão tão completa da forma como seus neurônios disparam que podem usar um modelo computacional para prever seu comportamento apenas a partir de sua atividade neural.
“Um de nossos sonhos é chegar ao ponto em neurociência que a genética chegou quando eles descobriram a dupla hélice de DNA”, diz Yuste. Embora alguns tenham sugerido que o cérebro é muito complicado para isso, Yuste é otimista. “Espero que isso aconteça em nossa vida e que seja um momento aha quando o quebra-cabeças se unir”, diz ele.
Referência de periódico: Biologia atual, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Ler mais: “Uma breve história do cérebro”
Nosso cérebro seguiu um caminho tortuoso de desenvolvimento através de criaturas que nadaram, rastejaram e caminharam pela terra muito antes de nós. Aqui estão alguns destes animais, e como eles nos ajudaram a fazer o que somos.
Hydra
Os nossos antepassados unicelulares tinham maquinaria sofisticada para sentir e responder ao ambiente. Uma vez surgidos os primeiros animais multicelulares, esta maquinaria foi adaptada para a comunicação célula a célula. As células especializadas que podiam transportar mensagens usando impulsos eléctricos e sinais químicos – as primeiras células nervosas – surgiram muito cedo.
Os primeiros neurónios foram provavelmente ligados numa rede difusa através do corpo de uma criatura como esta hidra. Este tipo de estrutura, conhecida como rede nervosa, ainda pode ser vista nos corpos trêmulos de medusas e anêmonas do mar.
Urbilateriana
Quando grupos de neurônios começaram a se agrupar, a informação podia ser processada ao invés de meramente retransmitida, permitindo que os animais se movessem e respondessem ao ambiente de formas cada vez mais sofisticadas. Os grupos mais especializados de neurônios – a primeira estrutura cerebral – desenvolveram-se perto da boca e dos olhos primitivos.
De acordo com muitos biólogos, isto aconteceu em uma criatura parecida com um verme conhecida como o urbilateriano, o ancestral da maioria dos animais vivos incluindo vertebrados, moluscos e insetos.
Cérebro lampreia
Outras regiões cerebrais especializadas surgiram nos primeiros peixes, algumas das quais se assemelhavam às lampreias vivas. O seu estilo de vida mais activo e nadador levou a uma pressão cerebral para acasalar, encontrar comida e evitar predadores.
Muitas destas estruturas centrais ainda se encontram no nosso cérebro: o tectum óptico, envolvido no seguimento de objectos em movimento com os olhos; a amígdala, que nos ajuda a responder a situações de medo; partes do sistema límbico, que nos dá sentimentos de recompensa e ajuda a estabelecer memórias; e os gânglios basais, que controlam os padrões de movimentos.
Cérebro anfíbio
Em algum ponto entre os primeiros anfíbios que se deslocam para terra firme e a evolução dos mamíferos, surgiu o neocórtex – camadas extra de tecido neural na superfície do cérebro. Esta parte do cérebro posteriormente expandiu-se enormemente, e é responsável pela complexidade e flexibilidade dos mamíferos – incluindo nós.
Mas como e quando o neocórtex evoluiu pela primeira vez permanece um mistério. Não podemos ver uma estrutura cerebral equivalente nos anfíbios vivos, e os fósseis também não ajudam muito: os cérebros dos anfíbios e répteis não preenchem toda a cavidade craniana, por isso os restos destes animais pouco nos dizem sobre a forma dos seus cérebros.
Cérebro primitivo de mamíferos
Cérebro de mamíferos cresceu cada vez maior em relação aos seus corpos, à medida que lutavam para sobreviver num mundo dominado por dinossauros.
As varreduras de mamíferos fósseis semelhantes a musaranhos revelaram que a primeira região a ser bombeada foi o bulbo olfactivo, sugerindo que os mamíferos dependiam muito do seu olfacto. As regiões do neocórtex que mapeiam as sensações táteis – provavelmente a ondulação dos cabelos em particular – também receberam um grande impulso, o que sugere que o sentido do tato também era vital. Estes achados se encaixam perfeitamente na idéia de que os primeiros mamíferos adotaram um estilo de vida noturno para ajudá-los a esquivar-se dos dinossauros.
Cérebro de chimpanzé
Após o desaparecimento dos dinossauros, os ancestrais dos primatas levaram para as árvores. Perseguir insetos ao redor das árvores exigiu boa visão, o que levou a parte visual do neocórtex a se expandir. O maior desafio mental para os primatas, entretanto, pode ter sido manter o controle de suas vidas sociais, o que pode explicar a enorme expansão das regiões frontais do neocórtex primata.
Essas regiões frontais também se tornaram mais conectadas, tanto dentro de si mesmas, quanto com outras partes do cérebro que lidam com o input sensorial e controle motor. Todos estes primatas equipados para lidar com mais informação recebida e encontrar formas mais inteligentes de agir sobre ela. Uma linha de primatas, os grandes símios, tornou-se particularmente inteligente.
Cérebro humano
Investigadores costumavam pensar que levar até duas pernas fazia com que o tamanho do cérebro humano ultrapassasse o dos nossos primos primatas, os orangotangos, gorilas e chimpanzés. Entretanto, as descobertas fósseis mostram que milhões de anos após os primeiros hominídeos se tornarem bípedes, eles ainda tinham cérebros pequenos.
Foi apenas há 2,5 milhões de anos atrás que nossos cérebros começaram a ficar maiores. Ainda não sabemos porquê, mas é possível que uma mutação tenha enfraquecido os músculos do maxilar dos nossos antepassados e permitido que os nossos crânios se expandissem.
Após termos ficado suficientemente inteligentes para desenvolver ferramentas e encontrar uma dieta mais rica, um efeito de feedback positivo pode ter entrado em acção, levando a uma maior expansão do cérebro. Muitos nutrientes são essenciais para um cérebro grande, e animais inteligentes têm mais chances de encontrá-los.
O quadro geral é de um cérebro em constante expansão, graças à interação entre dieta, cultura, tecnologia, linguagem e genes. No entanto, nos últimos 15.000 anos, o tamanho médio do cérebro humano em relação ao nosso corpo diminuiu em 3 ou 4%.
Para descobrir o porquê, e ler mais sobre a jornada evolutiva do cérebro, leia “Uma breve história do cérebro”.
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