NEURÔNIOS, CÉREBRO, SISTEMA NERVOSO BIOLÓGICO E A COMPARAÇÃO COM COMPUTADORES DIGITAIS

Neste mesmo século, Luigi Galvani demonstrou a bioeletricidade, que é responsável pela natureza elétrica na condução de estímulos nervosos. No século seguinte Emil du Bois-Reymond realizou estudos sobre a transmissão nervosa e propôs que os órgãos deviam ser excitados pelos nervos através de pequenas correntes elétricas, ou por algum tipo de substância química liberada pelas terminações nervosas. Esta suspeita, suscitou um estudo profundo do sistema nervoso central e do próprio cérebro. Durante este mesmo período, ainda no século XIX, surgiu a teoria celular a qual propunha que todo e qualquer órgão deveria ser formado por partes menores chamadas de células. Entretanto as únicas exceções para a teoria de Theodor Schwann eram os tecidos nervosos, que aparentemente eram formados por um tipo diferente de tecido, que aparentemente parecia ser contínuo.

Até hoje existem muitas questões relacionadas às estruturas cerebrais que ainda não foram plenamente respondidas. Sabe-se, no entanto que o cérebro é uma estrutura extremamente complexa, capaz de tratar de todas às informações sobre nosso organismo e nosso meio ambiente. Este órgão apesar de ter uma aparência pouco promissora3 possui uma estrutura complexa e uma organização sofisticada. O cérebro possui características próprias que os define, tais como, as divisões cerebrais e as circunvoluções. As circunvoluções têm finalidade de aumentar a área do cérebro, e são utilizadas também como uma das características relacionadas à evolução dos cérebros biológicos. – Cérebro humano[113] O grau de encefalização das espécies mostra a importância dada ao cérebro durante a evolução natural.

Nas Figuras 2 e 3 observa-se a relação entre o peso corpo e do cérebro para algumas espécies de mamíferos. Ao analisarmos as figuras, é possível observar que os mamíferos escolhidos para compor estas figuras, são animais com diferentes pesos corporais, e que seguem uma escala crescente em peso corporal e cerebral. Entretanto é fácil verificar na Fig. que os seres humanos se destacam por possuir a melhor relação peso do cérebro e peso do corpo. Existem vários tipos de neurônios, cada qual com uma determinada função, forma e localização específica, porém os componentes principais de um neurônio são sempre os mesmos. Na Figura 4 é possível observar as partes que compõem um neurônio. Fig. – Peso do corpo x peso do cérebro, para mamíferos Fig.

– Porcentagem do peso do cérebro em relação ao peso do corpo x peso do cérebro, para mamíferos 6 No neurônio são identificadas três partes que tem funções distintas: • Corpo celular ou Soma – É à parte que contém o núcleo da célula e o citoplasma. Este fluido possui concentrações de íons diferentes das existentes no interior dos neurônios. Sabe-se que estas concentrações de íons, tanto dentro do neurônio quanto fora, possuem uma relação íntima com o mecanismo responsável pela propagação das informações na rede neural biológica. O mecanismo de troca de íons a nível celular é chamado de bomba sódio-potássio. Este mecanismo é responsável pela concentração de potássio e a expulsão do sódio do lado de dentro do neurônio.

A membrana neuronal é formada por um complexo de moléculas protéicas que obtém energia metabólica quando transporta para fora da célula o sódio, e para dentro o potássio (osmose). Quando isto ocorre, há uma súbita variação de tensão elétrica que faz com que o potencial da membrana se torne positivo, dezenas de milivolt acima de zero, por aproximadamente meio milissegundo, voltando a 10 cair logo em seguida, para valores negativos, próximos do potencial de repouso. Esta mudança repentina no aumento do potencial da membrana é chamado de Potencial de Ação 6, também conhecido como pulso de disparo. Este pulso de disparo se propaga pelo axônio como um pulso solitário. Na Figura 6 é possível observar a representação de um potencial de ação para um neurônio.

A forma de um potencial de ação é uma característica de cada neurônio. Após o envio de um potencial de ação ao longo do axônio, tem-se o período refratário absoluto, e logo após, o relativo. Somente quando o limiar de corrente cai até o valor constante de estímulo poderá ocorrer o envio de um novo potencial de ação. Na Figura 7, é possível notar um esquema mostrando a evolução da propagação de um potencial de ação em um axônio. Percebe-se então o funcionamento do mecanismo de troca de íons (bomba sódio e potássio) responsável pela propagação do sinal do potencial de ação em um neurônio. O que se observa, é que se a corrente elétrica despolarizante, chamada de Supraliminar, for mantida constante por um longo período de tempo, uma sequência de potenciais de ação (trem de pulsos de disparo) será gerado e propagado pelo axônio com uma freqüência constante e dada por 1/∆t.

Em um experimento controlado (in vitro) é fácil medir a resposta de um determinado neurônio, porém em uma situação real (in vivo), um neurônio recebe estímulos de uma grande quantidade de outros neurônios, tornando muito difícil interpretar a função de transferência em um determinado neurônio localizado em uma rede neural biológica, ver Figura 9. Fig. – Fotografia de uma Rede Neural Biológica colorida artificialmente Para entender isto é necessário conhecer o funcionamento do mecanismo que interliga os neurônios, conhecido como sinapse. Existem dois tipos de sinapses, as químicas e as elétricas. A sinapse química é considerada mais importante, e esta é a responsável por conectar um neurônio ao outro, através dos contatos pré-sináptico e pós-sináptico, ver Figura 10.

Na Fig. tem-se um esquema detalhado da transmissão do sinal e na Fig. tem-se uma fotografia tirada com microscópio no momento em que ocorre uma sinapse química. Fig. – Esquema mostrando uma sinapse química entre dois neurônios biológicos 16 Um único neurônio, dependendo exclusivamente da ramificação de sua árvore dendritica, recebe inúmeros sinais, ou sinapses (inibitórias ou excitatórias), vindas de outros neurônios, de forma que cada qual gera um tipo de potencial pós-sináptico7. O potencial pós-sináptico se propaga em direção ao corpo celular, até alcançar o soma. Estes potenciais pós-sinápticos se combinam de diversas maneiras, gerando um potencial pós-sináptico resultante de suas interações no soma (Figura 14). O soma funciona como um filtro, que selecionará o sinal que deve ser enviado (propagado) para outro neurônio ou não.

Se o sinal for enviado, a freqüência dos disparos deste potencial de ação, será uma função do potencial somático resultante. Fig. Nesta figura, fica clara a superioridade na capacidade de armazenamento e de processamento dos sistemas biológicos, quando comparados aos sistemas eletrônicos (1996). Atualmente, mesmo quando se compara sistemas eletrônicos sofisticados, a sistemas biológicos (macaco), ainda assim, os sistemas eletrônicos se mostram menos evoluídos. As principais diferenças do modo de processamento de informação entre o computador digital e o cérebro humano, podem ser vistas claramente na Tabela 1, segundo a proposta de Simpson em 1990. Fig. – Comparação entre sistemas biológicos, eletrônicos e outros, em relação à velocidade de processamento e capacidade de armazenamento de memória no ano de 1996 Tabela 1 – Comparação entre o cérebro humano e o computador digital Computador digital Velocidade de Cérebro humano nanossegundos milissegundos serial paralelo poucos e complexos muitos e simples Armazenamento de memória localizada memória distribuída conhecimento (endereçada) (associada) Tolerância a danos degradação abrupta degradação suave organizado-seqüêncial anárquico-aleatório processamento Modo de processamento Número de processadores e sua complexidade Controle do processamento 22.