Neurociências - 4ªEd. - Dale Purves

Neurociências - 4ªEd. - Dale Purves

(Parte 1 de 11)

Neurociências 4a Edição

Dale Purves George J. Augustine David Fitzpatrick William C. Hall Anthony-Samuel LaMantia James O. McNamara Leonard E. White

Sumário

1 Estudando o Sistema Nervoso 1

Parte I Sinalização Neural

2 Sinais Elétricos das Células Nervosas 25

3 Permeabilidade da Membrana Dependente de Voltagem 41 4 Canais e Transportadores 61 5 Transmissão Sináptica 85 6 Neurotransmissores e seus Receptores 119 7 Sinalização Molecular dentro dos Neurónios 153 8 Plasticidade Sináptica 177

Parte I Sensações e Processamento Sensorial

9 O Sistema Somatossensorial: Tato e Propriocepção 207 10 Dor 231 1 Visão: O Olho 253 12 Vias Centrais da Visão 289 13 O Sistema Auditivo 313 14 O Sistema Vestibular 343 15 Os Sentidos Químicos 363

Parte I Movimento e seu Controle Central

16 Circuitos do Neurônio Motor Inferior e Controle Motor 397 17 Controle do Neurônio Motor Superior do Tronco Encefálico e da Medula Espinhal 423 18 Modulação do Movimento Pelos Núcleos da Base 453 19 Modulação do Movimento pelo Cerebelo 499 20 Movimentos Oculares e Integração Sensório-Motora 495 21 O Sistema Motor Visceral 513

Parte IV O Encéfalo em Mudança

2 Desenvolvimento Inicial do Encéfalo 545 23 Construção dos Circuitos Neurais 577 24 Modificações de Circuitos Encefálicos como Resultado da Experiência 611 25 Reparo e Regeneração no Sistema Nervoso 635

Parte V Funções Complexas do Encéfalo

26 Os Córtices Associativos 663 27 Fala e Linguagem 687 28 Sono e Vigília 707 29 Emoções 733 30 Sexo, Sexualidade e o Encéfalo 761 31 Memória 791

APÊNDICE: Neuroanatomia Humana 815

ATLAS: O Sistema Nervoso Central Humano 843

Capítulo 1 Estudando o Sistema Nervoso

Visão geral

Neurociências envolve uma vasta gama de questões acerca de como se desenvolve e se organiza o sistema nervoso no homem e nos animais, e de como ele funciona para gerar um comportamento. Essas questões podem ser exploradas utilizando-se ferramentas da genética, da biologia celular e molecular, da anatomia e da fisiologia de sistemas, da biologia comportamental e da psicologia. O maior desafio dos estudantes de neurociências é integrar conhecimentos oriundos de diversos níveis de análise em uma compreensão mais ou menos coerente da função e da estrutura do encéfalo (entenda-se "compreensão coerente", pois muitas questões ainda permanecem não respondidas). Vários dos temas já explorados com sucesso dizem respeito a como as principais células do sistema nervoso de todos os animais - neurónios e glia - realizam suas funções básicas em termos anatómicos, eletrofisiológicos, celulares ou moleculares. A diversidade de neurónios e células gliais de suporte já identificados agrupa-se em conjuntos chamados de circuitos neurais, e estes são os componentes primários dos sistemas neurais que processam tipos específicos de informação. Em contrapartida, esses sistemas realizam uma de três funções gerais: os sistemas sensoriais representam as informações sobre o estado do organismo e do ambiente; os sistemas motores organizam e geram ações, e os sistemas associativos conectam ambos os componentes sensorial e motor, propiciando a base das funções encefálicas "superiores", como percepção, atenção, cognição, emoções, linguagem, pensamento racional, bem como estabelecendo a base dos processos neurais complexos centrais à compreensão dos seres humanos, seu comportamento, sua história e talvez seu futuro.

Genética, genômica e o encéfalo

O sequenciamento completo do genoma humano é, talvez, o ponto de partida mais lógico para estudar-se o encéfalo e o restante do sistema nervoso; afinal, essa informação herdada é também o ponto de partida de cada um de nós, como indivíduos. A relativa facilidade em se obter, analisar e correlacionar sequências gênicas com observações neurobiológicas em humanos e outros animais tem permitido uma riqueza de novos conhecimentos acerca da biologia do sistema nervoso. Em paralelo aos estudos de sistemas nervosos normais, a análise genética de famílias humanas com doenças encefálicas diversas implica ser possível, em breve, entender e tratar doenças há muito consideradas além do alcance da ciência e da medicina.

Um gene é uma sequência de ADN contendo os nucleotídeos adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Dentro de cada gene, segmentos da sequência chamados éxons são transcritos em ARN mensageiro e, em sequência, em uma cadeia de aminoácidos de uma dada proteína. Separando os éxons, há segmentos de sequências chamados de íntrons. Apesar de as sequências de íntrons serem removidas do transcrito gênico final, elas influenciam, muitas vezes, o modo pelo qual os éxons são expressos e, assim, a natureza da proteína resultante. Além disso, o grupo de éxons que define o ARNm transcrito de um gene e a proteína resultante

2 Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, LaMantia, McNamara & White

Figura 1.1 Estimativas do número de genes no genoma humano, bem como nos genomas do camundongo, da mosca-das-frutas Drosophila melanogastere do verme nematódeo Caenorhabditis elegans. Note que o número de genes não se correlaciona com a complexidade do organismo; o nematódeo, mais simples, possui mais genes do que a mosca-das-frutas, e a análise corrente Indica, de fato, que camundongos e humanos possuem mais ou menos o mesmo número de genes. Muito da atividade genética é dependente de fatores de transcrição que regulam quando e em que extensão um dado gene é expresso.

Humano

H MH • • Camu ndongç

10.0 20.0 30.0

Número de genes 40.0 apoia-se em sequências regulatórias (promotoras ou inibitórias) tanto a montante (5') quanto a jusante (3') que controlam o tempo, o local e o nível de transcrição de um gene.

A maioria dos aproximadamente 25.0 genes do genoma humano são expressos tanto no encéfalo humano em desenvolvimento quanto no adulto. O mesmo ocorre em camundongos, moscas-das-frutas e vermes - que são as espécies comumente usadas na genética moderna e cada vez mais usadas em neurociências (Figura 1.1). No entanto, pouquíssimos genes são expressos única e exclusivamente em neurónios, indicando que células nervosas compartilham da maioria das propriedades básicas estruturais e funcionais de outras células. Assim, um grande número de informações genéticas "específicas do encéfalo" deve residir nos íntrons e nas sequências regulatórias que controlam a quantidade, a variabilidade e a especificidade celular da expressão gênica a cada momento.

Um dos dividendos mais promissores do sequenciamento do genoma humano tem sido a constatação de que um ou alguns genes, quando alterados (mutados), podem explicar pelo menos alguns aspectos das doenças neurológicas e psiquiátricas. Antes de o sequenciamento gênico tornar-se rotina, havia, em muitos casos, pouca percepção de como ou por que a biologia normal do sistema nervoso era comprometida nas patologias encefálicas. A identificação de genes relacionados a doenças como a doença de Huntington, doença de Parkinson, doença de Alzheimer, depressão e esquizofrenia tem sido um ponto de partida promissor para se entenderem esses processos patológicos de forma muito mais profunda e, por fim, se formularem terapias racionais.

Entretanto, a informação genômica sozinha não pode explicar como o encéfalo trabalha em indivíduos normais, ou como os processos de doença perturbam funções normais do encéfalo. Para alcançar esses objetivos, necessitamos compreender a biologia celular, a anatomia e a fisiologia do encéfalo tanto na saúde como na doença.

Organismos modelos em neurociências

Muitos dos objetivos das neurociências modernas concentram-se no entendimento da organização e da função do sistema nervoso humano, bem como das bases patológicas das doenças neurológicas e psiquiátricas. Esses temas, entretanto, são muitas vezes difíceis de alcançar por meio do estudo do encéfalo humano. Portanto, os neurocientistas têm utilizado os sistemas nervosos de outros animais em seus estudos. Durante os dois últimos séculos, informações fundamentais sobre anatomia, bioquímica, fisiologia e biologia celular dos sistemas neurais têm sido deduzidas a partir do estudo dos encéfalos de uma grande variedade de espécies. Diversas vezes, a escolha das espécies estudadas decorre de suposições sobre capacidades funcionais aumentadas dessas espécies. Por exemplo, entre as décadas de 1950 e 1970, foram realizados estudos pioneiros sobre as funções visuais em gatos. Eles foram escolhidos por serem animais altamente "visuais", e, portanto, esperava-se que tivessem as regiões encefálicas dedicadas à visão bem desenvolvidas - regiões essas similares àquelas encontradas em primatas, incluindo os humanos. Muito do que se sabe hoje sobre a visão humana tem base nos estudos realizados em gatos. Estudos em invertebrados, como a lula e o molusco do mar Aplysia californica, levaram a conhecimentos que são também muito importantes na biologia celular básica dos neurónios, da transmissão sináptica e da plasticidade sináptica (a base do aprendizado e da memória). Em cada caso, o animal estudado mostrou vantagens que possibilitaram responder questões decisivas das neurociências que abordamos neste livro.

Hoje, estudos bioquímicos, celulares, anatómicos, fisiológicos e comportamentais continuam a ser conduzidos em uma vasta gama de animais. Entretanto, o sequenciamento completo do genoma de um pequeno número de espécies de invertebrados, vertebrados e mamíferos levou à adoção informal de quatro organismos-"modelo" por muitos neurocientistas. Eles são o verme nematódeo Caenorhabditis elegans; a mosca-das-frutas Drosophila melanogaster; o peixe-zebra Danio rerio, e o camundongo Mus musculus. A despeito de certas limitações em cada uma dessas espécies, sua relativa facilidade de manipulação e análise genética, bem como a disponibilidade de suas sequências genômicas completas, possibilita a pesquisa de um grande número de questões neurocientíficas em níveis molecular, celular, anatómico e fisiológico.

Outras espécies, claro, também são estudadas. Aves e anfíbios, como galinhas e rãs, continuam a ser particularmente úteis para estudar o desenvolvimento neural nas suas fases iniciais, e mamíferos, como o rato, são usados com frequência em estudos neurofarmacológicos e comportamentais da função encefálica no adulto. Por fim, primatas não humanos (em particular o macaco rhesus) permitem oportunidades de estudo de funções complexas que muito se assemelham àquelas realizadas pelo encéfalo humano.

Os componentes celulares do sistema nervoso

Já no início do século XIX, a célula foi reconhecida como a unidade fundamental de todos os organismos vivos. No entanto, foi apenas mais recentemente - durante o século X - que os neurocientistas chegaram a um consenso de que o tecido nervoso, como os demais órgãos, também é constituído por essas unidades fundamentais. A principal razão para isso é que a primeira geração de neurobiólogos "modernos" no século XIX, com os microscópios e as técnicas de tinção até então disponíveis, tinha dificuldades para identificar a natureza unitária das células nervosas. As formas extraodinariamente complexas e as intensas ramificações de células nervosas individuais - todas agrupadas e difíceis de serem distinguidas umas das outras - dificultaram a observação de suas semelhanças com outras células geometricamente mais simples de outros tecidos (Figura 1.2). Assim, alguns biólogos da época concluíram que cada célula nervosa estava conectada a suas vizinhas por uniões protoplasmáticas, formando uma malha contínua de neurónios, o "retículo" (do latim, reticulum). Foi o patologista italiano Camillo Golgi quem articulou e defendeu essa "teoria reticular" da comunicação de células nervosas. Golgi fez muitas contribuições importantes às ciências médicas, incluindo a identificação da organela celular que finalmente foi denominada aparelho de Golgi; o descobrimento da técnica de impregnação celular, de fundamental importância, que leva seu nome (Figura 1.2), e a compreensão da fisiopatologia da malária. Entretanto, sua teoria reticular do sistema nervoso, por fim, sucumbiria, sendo substituída por outra que veio a ser chamada de "a doutrina neuronal". Os principais proponentes da doutrina neuronal foram o neuroanatomista espanhol Santiago Ramon y Cajal e o fisiologista britânico Charles Sherrington.

4 Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, LaMantia, McNamara & White

(A) Neurónios no núcleo do nervo craniano V, no mesencéfalo

Corpos celulares

(B) Célula bipolar da retina (C) Célula ganglionar da retina

Axônios

Dendritos <

Corpo celular

Axônio

Dendritos (D) Célula amácrina da retina

Dendritos < •

Axônio

Figura 1.2 Exemplos da rica variedade morfológica das células nervosas encontradas no sistema nervoso humano. Os desenhos são das células nervosas verdadeiras coradas pela impregnação de sais de prata (a tão conhecida técnica de Golgi, método usado nos clássicos estudos de Golgi e Cajal). Asteriscos indicam que o axônio vai muito além do que o mostrado. Note que algumas células, como a célula bipolar da retina, têm um axônio muito curto e que outras, como a célula amácrina da retina, não têm axônio. Os desenhos não estão todos na mesma escala.

(E) Célula piramidal cortical

Corpo celular

(F) Célula de Purkinje cerebelar

Dendritos Dendritos

Corpo celular

Axônio

O debate acalorado ocasionado pelas visões contrárias representadas por

Golgi e Cajal no início do século X estabeleceu o curso das modernas neurociências. Com base em exames ao microscópio óptico do tecido nervoso impregnado com sais de prata, de acordo com o método pioneiro de Golgi, Cajal argumentava de modo persuasivo que as células nervosas são entidades distintas e que se comunicam por meio de contatos especializados, que Sherrington chamou de sinapses. A despeito do triunfo máximo do entendimento de Cajal sobre o de Golgi, ambos foram laureados com o Prémio Nobel de Fisiologia e Medicina por suas contribuições decisivas na compreensão da organização básica do encéfalo.

Os trabalhos subsequentes de Sherrington e outros demonstrando a transferência de sinais elétricos em junções sinápticas entre células nervosas proporcionaram forte fundamentação à doutrina neuronal, apesar de algumas objeções ocasionais à ideia de autonomia dos neurónios. Apenas com o advento da microscopia eletrônica na década de 1950 que foi possível acabar com as dúvidas sobre a individualidade dos neurónios. As fotografias de altas amplificação e resolução obtidas com o microscópio eletrônico (veja Figura 1.3) estabeleceram, de forma clara, que células nervosas são unidades com funções independentes. Essas micrografias também permitiram identificar as junções celulares especializadas que Sherrington chamou de sinapses. Entretanto, talvez como um consolo tardio a Golgi, esses estudos de microscopia eletrônica também demonstraram continuidades intercelulares especializadas entre neurónios - embora relativamente raras - chamadas de junções comunicantes (gap junctions), similares àquelas encontradas entre células epiteliais, como no intestino e no pulmão. De fato, essas junções permitem a continuidade citoplasmática e a transferência direta de sinais elétricos e químicos entre células no sistema nervoso.

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