Neurociência NEUROCIÊNCIA: OS TIPOS E AS FUNÇÕES DAS CÉLULAS NO SISTEMA NERVOSO CENTRAL

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1 Por que a Neurociência é importante? A estrutura mais complexa do universo é a massa de 1,36kg de células dentro de nosso crânio chamada cérebro. O cérebro consiste de cerca de 100 bilhões de neurônios, o que é cerca de a mesma quantidade de estrelas em nossa galáxia, Via Láctea, e o número de galáxias no universo conhecido. Ele também contém cerca de um trilhão de células da glia, que contribuem para o funcionamento adequado dos neurônios. Como qualquer máquina complexa, o cérebro contém várias partes, cada qual com subpartes, que também têm subpartes, seguindo até seus elementos mais básicos os neurônios e a glia. Nesta Folha de Cola você encontra informações sobre as partes-chave do cérebro e o papel e função das células que formam o sistema nervoso. NEUROCIÊNCIA: OS TIPOS E AS FUNÇÕES DAS CÉLULAS NO SISTEMA NERVOSO CENTRAL O sistema nervoso consiste no sistema nervoso central (cérebro e medula espinhal), no sistema nervoso periférico (neurônios sensoriais e motores) e no sistema nervoso autônomo (que regula os processos corporais, como a digestão e a frequência cardíaca). Todas as divisões do sistema nervoso são baseadas universalmente nas funções dos neurônios, células especializadas que processam informação. Neurônios geram impulsos nervosos que causam a liberação de substâncias químicas em junções especializadas chamadas sinapses, as quais permitem que neurônios diferentes falem uns com os outros. O funcionamento adequado dos neurônios depende de células especializadas da glia. Todos os sistemas nervosos em todas as espécies animais têm sete tipos básicos de células funcionais: Neurônios sensoriais: Informam ao resto do cérebro sobre o ambiente externo e interno. Neurônios motores ou efetuadores: Os neurônios motores contraem músculos e medeiam comportamentos, e os neurônios de outras saídas estimulam glândulas e órgãos. Neurônios de comunicação: Transmitem sinais de uma área do cérebro para outra. Interneurônios ou associativos: A grande maioria dos neurônios em vertebrados são neurônios de associação, os quais extraem e processam informações vindas dos sentidos, comparam essa informação com o que está na memória e usam a informação para planejar e executar o comportamento. Cada uma das várias centenas de regiões do cérebro contém aproximadamente várias dúzias de tipos distintos de neurônios de associação que medeiam a função dessa área do cérebro. Mielina: Muitos axônios são envolvidos por processamentos da célula da glia que fornecem isolamento extra. Esse isolamento é composto de oligodendrócitos, que formam a mielina, dando origem a axônios mielinizados. As lacunas entre os invólucros de mielina são chamados nódulos de Ranvier. É aqui que o potencial de ação (impulso nervoso elétrico) é repetido,

2 permitindo, assim, que o sinal mantenha sua força por longas distâncias. Axônios mielinizados têm velocidades rápidas de condução em que os potenciais de ação viajam várias centenas de metros por segundo. Muitos axônios menores no sistema nervoso não são mielinizados e conduzem potenciais de ação mais lentamente. Astrócitos: São células em formato de estrela que fornecem suporte metabólico para neurônios, assim como formam a barreira hematoencefálica. Os astrócitos contribuem significativamente com a função sináptica, mantendo a concentração adequada de substâncias químicas na sinapse, e também são conhecidos por liberar gliotransmissores, que podem regular a transmissão sináptica. A habilidade dos astrócitos de integrar a atividade sináptica e sua localização física próxima a sinapses deu origem ao termo sinapse tripartite, a qual refere-se a três entidades: o terminal pré-sináptico do neurônio, o terminal pós-sináptico do neurônio e o processo adjacente de um astrócito. Micróglia: Estas células são as únicas células imunes residentes no cérebro. Elas agem como a primeira linha de defesa imunológica no cérebro. As micróglias são células de limpeza que removem células mortas e agentes infecciosos por um processo chamado fagocitose. Embora a micróglia possa ser ativada em estados de doença liberando substâncias químicas nocivas que danificam neurônios, demonstrou fornecer suporte trófico para neurônios. Estudos mais recentes demonstraram que ela suprime sinapses desnecessárias durante o desenvolvimento, o que é requerido para uma maturação adequada do sistema nervoso central. Há diferenças estruturais óbvias entre neurônios e a maioria das outras células. Enquanto a maior parte das células não neuronais lembra esferoides achatados, os neurônios normalmente têm uma árvore dendrítica de ramos (ou processos) surgindo do corpo celular (ou soma), além de um único processo, chamado de axônio, que também emana do corpo celular, mas percorre grandes distâncias (às vezes até vários metros) antes de ramificar. Enquanto os dendritos recebem entradas sinápticas de outras células, o axônio envia o resultado da célula para outras células. Dendritos Corpo celular (soma) Núcleo Cone axonal (segmento inicial) Axônio Bainha de mielina Terminais axônicos (botões terminais) Nódulos de Ranvier Sinapses As partes estruturais principais de um neurônio.

3 O que realmente distingue o sistema nervoso de qualquer outro grupo de células funcionais é a complexidade das interconexões neurais. O cérebro humano tem cerca de 100 bilhões de neurônios, cada um com um conjunto único de cerca de 10 mil entradas sinápticas de outros neurônios, produzindo cerca de um quadrilhão de sinapses, um número ainda maior que a dívida nacional em centavos! O número de estados distintos possíveis desse sistema é praticamente incontável. NEUROCIÊNCIA: ENTENDENDO O PAPEL DO NEOCÓRTEX O neocórtex tem um papel importante na neurociência. Quando você vê o cérebro humano de cima ou de lado, quase tudo o que vê é o neocórtex. É chamado neo porque é uma invenção relativamente recente dos mamíferos. Antes dos mamíferos, animais como répteis e pássaros tinham cérebro relativamente pequeno, com áreas muito especializadas para processar informação sensorial e controlar o comportamento. O neocórtex permite a maioria das atividades mentais complexas que associamos com o ser humano. O neocórtex humano é tão grande que cobre completamente o restante do cérebro, exceto por um pedaço do cerebelo que sobressai da parte de trás. Sulco Central Lobo Frontal Lobo Parietal Lobo Occipital Lobo Temporal Cerebelo O neocórtex.

4 O neocórtex é dividido em quatro lobos principais: frontal, parietal, temporal e occipital: O lobo frontal inclui todo o neocórtex frontal, a maior parte anterior do cérebro, até um sulco principal, chamado de sulco central, que vai de lado a lado até, mais ou menos, o meio do cérebro. O lobo parietal se estende para a parte de trás do sulco central até a borda do lobo occipital. O lobo occipital é o lobo na ponta mais posterior. Não há borda contínua clara entre os lobos parietal e occipital na maioria dos cérebros. O lobo temporal é a extensão parecida com uma língua na extremidade entre os lobos occipital e parietal que se estende na direção anterior. Um neocórtex grande distingue os mamíferos de todos os outros animais. Espécies que existiram antes dos mamíferos podiam claramente se mover, sentir o ambiente e exibir o tipo de comportamento moderadamente complexo como aquele que vemos agora em pássaros e lagartos. Essas habilidades eram todas possibilitadas por estruturas cerebrais mais antigas, e hierarquicamente inferiores, que o neocórtex. O que o neocórtex permitia era um novo nível de comportamento avançado particularmente comportamento social, culminando em humanos com a confecção de ferramentas e, por fim, a linguagem e o alto nível de consciência. NEUROCIÊNCIA: OBSERVANDO OS HEMISFÉRIOS ESQUERDO E DIREITO DO CÉREBRO O cérebro é composto de dois lobos quase idênticos chamados hemisférios esquerdo e direito. O hemisfério esquerdo recebe a maioria das entradas e controla a maior parte do lado direito do corpo. Esse hemisfério em humanos também é especializado em linguagem, raciocínio baseado em regras e habilidades analíticas. O hemisfério direito lida com o lado esquerdo do corpo e é melhor em reconhecimento de padrões visuais e tipos mais holísticos de percepção. Na maioria das tarefas, os dois hemisférios usam uma estratégia de dividir e conquistar, sendo que o esquerdo processa os detalhes e o direito absorve o cenário geral. Os dois estão conectados pelo maior trato de fibras do cérebro, o corpo caloso, que contém 200 milhões de fibras.

5 USANDO A NEUROCIÊNCIA PARA EXAMINAR OS QUATRO LOBOS CEREBRAIS: FRONTAL, PARIETAL, TEMPORAL E OCCIPITAL Conhecer os quatro lobos cerebrais é importante para a neurociência. O neocórtex é dividido em quatro lobos principais: frontal, parietal, temporal e occipital. Esses lobos são ainda mais divididos em diferentes regiões. Os lobos frontais estão envolvidos com o controle do movimento, de estimulação de músculos individuais a planejamento abstrato sobre o que fazer. O lobo parietal processa informações visuais, auditivas e de toque. O lobo temporal é a área primária para o início do processamento auditivo e uma área de processamento visual de alto nível. Também processa alguns aspectos do olfato. O lobo occipital processa informações visuais e as envia para os lobos parietal e temporal. O paladar e parte do olfato são processados no lobo frontal posterior. Córtex motor primário Sulco central Córtex somatossensorial Córtex pré-motor Lobo parietal Córtex frontal Córtex pré-frontal Córtex orbitofrontal Lobo temporal Lobo occipital Os quatro lobos e as regiões dentro de cada um.

6 O LOBO FRONTAL Neurociência O lobo frontal é preocupado em executar o comportamento. Isso varia de controle de músculos individuais no córtex motor primário a planejamento abstrato de alto nível sobre o que fazer. Os lobos frontais são divididos em diferentes áreas: O córtex pré-frontal: Em humanos, o córtex pré-frontal ocupa a maior parte do lobo frontal. Ele é crucial para o desempenho de quase todas as habilidades que requerem inteligência. O córtex pré-frontal tende a ser maior em primatas do que em outros mamíferos, e é maior em humanos do que em outros primatas. Isso é correlacionado com a quantidade de planejamento de alto nível feita por membros de diferentes espécies. A maioria dos mamíferos opera principalmente sobre o instinto e não vive em grupos sociais complexamente diferenciados. Primatas, por outro lado, têm hierarquias masculinas e femininas complexas e podem conspirar uns contra os outros abrangendo anos de planejamento. Humanos confeccionam ferramentas, modificam seus ambientes para seus próprios propósitos e têm relacionamentos específicos com centenas de outros indivíduos (e isso foi antes do Facebook). O córtex orbitofrontal: Esta área é a parte anterior e medial do córtex pré-frontal. O córtex orbitofrontal é essencial para avaliação de risco e recompensa e para o que pode ser chamado de julgamento moral. Pacientes com danos nesta área podem ter inteligência normal ou superior, avaliada por testes de QI, mas não têm um conceito rudimentar de modos ou ações adequadas em contextos sociais. Eles também perdem quase toda a aversão ao risco, apesar do conhecimento claro das consequências ruins. O córtex motor primário: É a faixa de área cerebral imediatamente anterior ao sulco central, a porção mais posterior do lobo frontal. O cérebro pode assumir controle direto dos músculos a partir da medula espinhal. Ele faz isso por meio de projeções do córtex motor primário. Neurônios no córtex motor primário viajam pela medula espinhal e fazem sinapse nos mesmos neurônios motores que medeiam reflexos. Na teoria, esse controle direto permite muito mais flexibilidade e adaptabilidade. O córtex pré-motor: Seu trabalho é monitorar conscientemente sequências de movimentos usando o feedback sensorial. Depois que os gânglios basais e o córtex pré-frontal selecionam a meta, o córtex pré-motor coordena os passos para atingir a meta. A atividade no córtex pré-motor ajuda você a aprender no que prestar atenção enquanto realiza uma sequência motora complicada e o que fazer quando fica preso em algum ponto em particular. Pense no córtex frontal como polarizado do anterior (frente) ao posterior (atrás). Mais atrás, no sulco central, estão cabos neurais indo quase diretamente para os músculos. Na frente disso, estão áreas que organizam e sequenciam movimentos. Na frente disso, estão níveis de planejamento abstrato. Neles, por exemplo, você seleciona de uma variedade de estratégias diferentes que podem envolver músculos completamente diferentes, sequências musculares ou, como ao jogar tênis, por exemplo, a decisão de se mover ou não.

7 O LOBO PARIETAL O lobo parietal contém neurônios que recebem informação sensorial da pele e da língua e processam informação sensorial das orelhas e dos olhos, que são recebidas em outros lobos. As principais entradas sensoriais da pele (receptores de toque, temperatura e dor) transmitem pelo tálamo para o lobo parietal. O LOBO OCCIPITAL Neurociência O lobo occipital processa entradas visuais que são enviadas ao cérebro a partir das retinas, que projetam pelo tálamo no polo posterior do lobo occipital, chamado de V1 (área visual 1), para que essa atividade em diferentes áreas de V1 seja relacionada ao que quer que esteja na imagem ao redor do seu ponto de visão atual. Subáreas além de V1 são especializadas em tarefas visuais como detecção de cor, percepção de profundidade e detecção de movimento. O sentido da visão é mais processado por projeções dessas áreas superiores do lobo occipital para outras áreas nos lobos parietal e temporal, mas esse processamento é dependente de processamentos anteriores pelo lobo occipital. (Pesquisadores sabem disso porque o dano a V1 causa cegueira nessa parte do campo visual que projeta naquela área.) O fato de o sistema visual ter um lobo inteiro para processar enfatiza a importância da alta precisão visual e dos processamentos entre nossos sentidos. O LOBO TEMPORAL O lobo temporal do cérebro combina informações auditivas e visuais. O aspecto superior (de cima) e medial (central) do lobo temporal recebe entrada auditiva da parte do tálamo que transmite informação para as orelhas. A parte inferior (de baixo) do lobo temporal faz processamento visual para reconhecimento de padrão e objetos. As partes medial e anterior do lobo temporal estão envolvidas em reconhecimento visual de ordem muito alta (sendo capazes de reconhecer faces, por exemplo), assim como reconhecimento dependente da memória. USANDO A NEUROCIÊNCIA PARA EXAMINAR O TÁLAMO E O SISTEMA LÍMBICO A neurociência nos diz que o neocórtex interage com o resto do cérebro primariamente por meio de uma estrutura chamada tálamo. O tálamo, que está embaixo (e hierarquicamente abaixo) do neocórtex, funciona como um centro de comando que controla qual informação vai entre diferentes partes do neocórtex e do resto do cérebro.

8 Enquanto o neocórtex pode fazer análises muito refinadas dos padrões que você observa, o tálamo controla para onde você olha. Quando seu neocórtex é danificado, você perde habilidades específicas. Se seu tálamo é muito danificado, você perde a consciência. O hipotálamo controla funções corporais homeostáticas como temperatura e ritmos circadianos. Córtex Cingulado Anterior Giro Cingulado Corpo Caloso Septo Tálamo Fórnix Corpo Mamilar Hipotálamo Amígdala Hipocampo O tálamo e o sistema límbico. Pense no tálamo como a porta para o córtex. Praticamente todos os sinais dos sentidos são retransmitidos pelo tálamo, assim como os sinais de outras áreas subcorticais. Muitas áreas do neocórtex também se comunicam umas com as outras pelo tálamo. Abaixo do neocórtex e do tálamo há várias áreas cerebrais subcorticais importantes. Uma das mais importantes é uma rede de núcleos filogeneticamente antigos distintos chamados de sistema límbico. (Dizer que esses núcleos do sistema límbico são filogeneticamente antigos

9 quer dizer que eles existiam em espécies muito mais antigas que os mamíferos, como lagartos, pássaros e, provavelmente, dinossauros). Várias estruturas importantes estão dentro do sistema límbico: O hipocampo: Tem uma função crucial na criação da memória. Ele recebe entradas de praticamente todo o neocórtex. Por meio de receptores sinápticos ajustáveis chamados receptores NMDA, pode associar praticamente qualquer constelação de propriedades que definem um objeto e seu contexto. A amígdala: Está primariamente envolvida com o processamento emocional e memória. Ela interage com o córtex pré-frontal para gerar e processar as principais emoções de raiva, alegria, desgosto, surpresa, tristeza e, especialmente, medo. Pessoas que sofrem danos na amígdala têm habilidades reduzidas para reagir e evitar situações que induzem medo. Córtex orbitofrontal: É onde a amígdala e outras estruturas do sistema límbico interagem com a parte do córtex pré-frontal. Suponha que, em alguma sexta-feira à noite em particular, enquanto dirige para casa, você quase bata em outro carro em um cruzamento específico. É bem provável que, por muito tempo depois disso, ao se aproximar desse cruzamento, principalmente às sextas-feiras, você sinta uma pontada de medo ou inquietação. Seu córtex pré-frontal armazenou as circunstâncias, e a amígdala armazenou o medo. O córtex cingulado anterior: Parece monitorar o progresso em direção a qualquer objetivo que você busque e gera um sinal de aviso quando as coisas não funcionam para indicar que uma mudança de estratégia pode ser necessária. Os gânglios basais: Consistem em cinco núcleos principais: caudado, putâmen, globo pálido, substância negra e subtalâmico. Eles compreendem um sistema altamente interconectado que interage com o tálamo e o neocórtex para controlar o comportamento.