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[Digite aqui] i O Cérebro Envelhecendo Vida e morte de neurônios No envelhecimento cerebral Autores Roberto Aguilar Machado Santos Silva Suzana Portuguez Viñas Santo Ângelo, RS 2019 2 Exemplares desta publicação podem ser adquiridos com: e-mail: Suzana-vinas@yahoo.com.br robertoaguilarmss@gmail.com Supervisão editorial: Suzana Portuguez Viñas Projeto gráfico: Roberto Aguilar Machado Santos Silva Editoração: Suzana Portuguez Viñas Capa:. Roberto Aguilar Machado Santos Silva 1ª edição 3 Autores Roberto Aguilar Machado Santos Silva Etologista, Médico Veterinário, escritor poeta, historiador Doutor em Medicina Veterinária robertoaguilarmss@gmail.com Suzana Portuguez Viñas Pedagoga, psicopedagoga, escritora, editora, agente literária suzana_vinas@yahoo.com.br 4 Apresentação iversos estudos utilizando modelos de animais vertebrados e invertebrados mostraram alterações associadas ao envelhecimento na função cerebral. É importante ressaltar que mudanças no tamanho do soma, perda ou regressão de dendritos e espinhas dendríticas e alterações na expressão de receptores de neurotransmissores em neurônios específicos foram descritas. Apesar desse entendimento, como o envelhecimento afeta as propriedades intrínsecas dos neurônios ou circuitos que governam um comportamento definido ainda está por ser determinado. O conhecimento atual indica que o processo de envelhecimento começa com mudanças subclínicas no nível molecular. Estes incluem o acúmulo de mutações, atrito de telômeros e alterações epigenéticas que levam à instabilidade genômica. Tais defeitos se multiplicam exponencialmente ao longo do tempo, lembrando um efeito de bola de neve e levando à deterioração morfológica e funcional do cérebro, incluindo perda neuronal progressiva, níveis D 5 reduzidos de neurotransmissores, inflamação excessiva e integridade interrompida dos vasos, seguida por infarto e microinfiltrados. Além disso, a eficiência decrescente dos mecanismos de reparo do DNA aumenta a suscetibilidade a espécies reativas de oxigênio e mutagênese espontânea, resultando em neoplasia relacionada à idade. Além disso, a desnutrição e a má absorção comumente encontradas em idosos podem causar deficiência de vitamina B12 e ácido fólico, ambos necessários para o metabolismo da homocisteína, e levar a danos vasculares. Em conjunto, estes levam a danos cerebrais na velhice e aumentam grandemente o risco de desenvolver doenças do sistema nervoso central, tais como acidente vascular cerebral, epilepsia, doença de Parkinson, doença de Alzheimer e outras demências. Aqui nós discutimos a compreensão atual de mudanças específicas nos neurônios durante o envelhecimento. Roberto Aguilar Machado Santos Silva Suzana Portuguez Viña 6 Sumário Introdução ....................................................................................7 Capítulo 1 – Neurônios................................................................9 Capítulo 2 – Neurogênese..........................................................55 Capítulo 3 - Neuroplasticidade, estresse e longevidade Neuronal.................................................................69 Capítulo 4 - Envelhecimento neuronal.....................................98 Capítulo 5 - Retardando os efeitos do envelhecimento........116 Capítulo 6 - Como os neurônios morrem todos os dias em nosso cérebro ?...................................................143 Epílogo.......................................................................................168 Bibliografia consultada............................................................170 7 Introdução envelhecimento precipita alterações na fisiologia do sistema nervoso, incluindo declínio cognitivo relacionado à idade e aumento da incidência de doenças neurodegenerativas. Considerando que a idade é conhecida por ser um forte determinante dessas condições, a etiologia e os mecanismos moleculares que levam à deterioração neuronal natural relacionada à idade não são bem compreendidos. A manutenção das funções fisiológicas com a idade depende de uma resposta contínua aos estresses celulares. As características gerais do envelhecimento celular incluem danos no DNA, perda de proteostase, disfunção mitocondrial, comprometimento da autofagia, perda da integridade do citoesqueleto, desregulação do sensor de nutrientes, entre outros. As vias moleculares que regulam o envelhecimento celular estão sob investigação intensiva e são revisadas em outros lugares. O sistema nervoso é inevitavelmente afetado por processos celulares universais que levam ao envelhecimento celular, bem como por fatores específicos do neurônio. Esta revisão discute possíveis abordagens para unificar a biologia de O 8 sistemas do envelhecimento cerebral com a patogênese da neurodegeneração. 9 Capítulo 1 Neurônios Neurônio: estrutura e função capítulo está organizado da seguinte maneira. Seção descreve a biologia de um único neurônio, e os mecanismos básicos de sinalização neuronal, elétrica e química. A seção descreve ainda, a organização geral do sistema nervoso humano. No início, devemos notar que um neurônio não é uma célula específica, mas um termo geral dado a uma grande classe de células que compartilham certas propriedades. Esta família de células varia grandemente em sua morfologia e os mecanismos e moléculas que eles usam para sinalizar uns aos outros. Portanto, é impossível descrever a estrutura e a função dos neurônios em toda sua rica variedade em um curto capítulo. O presente capítulo fornece uma descrição da estrutura e função de um neurônio típico. Um neurônio, também conhecido como célula nervosa, é uma célula eletricamente excitável que se comunica com outras células por meio de O 10 conexões especializadas chamadas sinapses. É o principal componente do tecido nervoso. Todos os animais, exceto esponjas e placozoários, possuem neurônios, mas outros organismos multicelulares, como as plantas, não. Os neurônios são normalmente classificados em três tipos com base em sua função. Os neurônios sensoriais respondem a estímulos como o toque, o som ou a luz que afetam as células dos órgãos sensoriais e enviam sinais para a medula espinhal ou para o cérebro. Os neurônios motores recebem sinais do cérebro e da medula espinhal para controlar tudo, desde contrações musculares até a saída glandular. Interneurônios conectam neurônios a outros neurônios dentro da mesma região do cérebro ou da medula espinhal. Um grupo de neurônios conectados é chamado de circuito neural. Estrutura de um neurônio Um neurônio é principalmente uma célula. Portanto, como qualquer outra célula, ela tem um corpo celular envolvido dentro de uma membrana celular. Tem um núcleo que contém os cromossomos que constituem a informação genética. Ele tem outros componentes celulares 11 padrão, as organelas como mitocôndrias, corpos de golgi, corpos nissil, retículo endoplasmático e assim por diante. Mas o que distingue um neurônio da maioria das outras células é a fiação rica e elaborada que parece emergir do corpo celular, também chamado de soma. As células são as unidades estruturaise funcionais dos seres vivos (exceto os vírus). Estruturalmente, costuma-se dizer que as células apresentam membrana plasmática, citoplasma e núcleo, mas essa última estrutura só está presente em células eucariontes. Nas células procariontes, o material genético está disperso no citoplasma. Células eucarióticas, eucariontes ou eucélulas são mais complexas do que as procarióticas, pois possuem membrana nuclear individualizada e vários tipos de organelas. Uma célulaeucariótica possui verdadeiro núcleo; ou seja, possui um envoltório nuclear que protege o material genético; que contém um ou mais nucléolos. 12 Células procariontes são células que apresentam membrana plasmática, parede celular, citoplasma, material genético denominado nucleoide, e elas não tem núcleo. Elas não possuem uma fina "pele" que envolve seu núcleo, chamada de envoltório ou envelope nuclear, responsável por manter o material genético reservado. Membrana plasmática A membrana plasmática envolve a célula e apresenta como papel primordialo controle da entrada e saída de substâncias na célula. Essa propriedade garante que o meio interno mantenha suas características. A membrana plasmática é formada por duas camadas de fosfolipídios, os quais apresentam seus grupamentos hidrofóbicos voltados para o centro da célula e os grupamentos hidrofílicos voltados para a superfície da membrana. Além de fosfolipídios, estão inseridas na membrana proteínas, que podem estar fracamente associadas (proteínas periféricas) ou diretamente incorporadas (proteínas integrais). Na superfície externa da membrana, encontramos uma camada chamada de glicocálice. Essa camada, que é mal delimitada, é constituída por glicoproteínas, glicolipídios e proteoglicanos. Citoplasma 13 O citoplasma é o local da célula que abriga as organelas celulares, o citoesqueleto e depósitos de proteínas, lipídios, carboidratos e pigmentos. Ele é constituído por uma matriz denominada de citosol, o qual é formado por água, aminoácidos, proteínas e nutrientes. Existem diferentes organelas celulares, as quais se diferenciam por sua estrutura e função. Como exemplos de organelas, podemos citar: • Mitocôndrias: Organela responsável pela produção de energia para a célula; • Retículo endoplasmático granuloso: Secreta proteínas no citoplasma que serão utilizadas pela própria célula ou exportadas; • Retículo endoplasmático agranular: Atua na síntese de esteroides e neutraliza substâncias tóxicas; • Complexo golgiense: Relaciona-se com a secreção celular; • Lisossomos: Responsáveis pela digestão intracelular; • Ribossomos: estão relacionados com a síntese de proteínas; • Peroxissomos: oxidam substratos orgânicos. Núcleo 14 O núcleo é a região das células eucariontes onde todas as atividades celulares são controladas. É o local em que encontramos os cromossomos, os quais são formados a partir de DNA. Também é no núcleo que estão localizados os nucléolos, os quais são responsáveis pela produção de ribossomos. O conteúdo do núcleo é separado do citoplasma pelo envoltório nuclear, uma membrana rica em poros. Um neurônio típico consiste em um corpo celular (soma), dendritos e um único axônio. O soma é geralmente compacto. O axônio e dendritos são filamentos que se extrudam dele. Os dendritos geralmente se ramificam profusamente e estendem algumas centenas de micrômetros a partir do soma. O axônio deixa o soma em um inchaço chamado de axônio, e viaja até 1 metro em humanos ou mais em outras espécies. Ela se ramifica, mas geralmente mantém um diâmetro constante. Na ponta mais distante do axônio Ramos são terminais axônicos, onde o neurônio pode transmitir um sinal através da sinapse para outra célula. Os neurônios podem não ter dendritos ou não ter axônio. O termo neurite é usado para descrever um dendrito ou um axônio, particularmente quando a célula é indiferenciada. 15 A maioria dos neurônios recebe sinais via dendritos e soma e envia sinais pelo axônio. Na maioria das sinapses, os sinais se cruzam do axônio de um neurônio para um dendrito de outro. No entanto, as sinapses podem conectar um axônio a outro axônio ou um dendrito a outro dendrito. O processo de sinalização é parcialmente elétrico e parcialmente químico. Os neurônios são eletricamente excitáveis, devido à manutenção de gradientes de voltagem através de suas membranas. Se a voltagem muda por uma quantidade grande o suficiente em um curto intervalo, o neurônio gera um pulso eletroquímico de tudo ou nada chamado de potencial de ação. 16 Esse potencial viaja rapidamente ao longo do axônio e ativa as conexões sinápticas conforme elas são alcançadas. Os sinais sinápticos podem ser excitatórios ou inibitórios, aumentando ou diminuindo a voltagem da rede que chega ao soma. Na maioria dos casos, os neurônios são gerados pelas células-tronco neurais durante o desenvolvimento do cérebro e a infância. A neurogênese cessa em grande parte durante a vida adulta na maioria das áreas do cérebro. No entanto, fortes evidências apoiam a geração de números substanciais de novos neurônios no hipocampo e no bulbo olfatório. 17 Os neurônios são os principais componentes do sistema nervoso, juntamente com as células da glia que lhes dão suporte estrutural e metabólico. O sistema nervoso é formado pelo sistema nervoso central, que inclui o cérebro e a medula espinhal, e o sistema nervoso periférico, que inclui os sistemas nervoso autônomo e somático. Nos vertebrados, a maioria dos neurônios pertence ao sistema nervoso central, mas alguns residem nos gânglios periféricos, e muitos neurônios sensoriais estão situados em órgãos sensoriais, como a retina e a cóclea. Os axônios podem se agrupar em fascículos que compõem os nervos do sistema nervoso periférico (como fios de cabos de maquiagem). Feixes de axônios no sistema nervoso central são chamados de tratos. Os neurônios são altamente especializados para o processamento e transmissão de sinais celulares. Dada a diversidade de funções desempenhadas em diferentes partes do sistema nervoso, há uma grande variedade em sua forma, tamanho e propriedades eletroquímicas. Por exemplo, o soma de um neurônio pode variar de 4 a 100 micrômetros de diâmetro. 18 O soma é o corpo do neurônio. Como contém o núcleo, a maior parte da síntese de proteínas ocorre aqui. O núcleo pode variar de 3 a 18 micrômetros de diâmetro. Os dendritos de um neurônio são extensões celulares com muitos ramos. Essa forma e estrutura gerais são referidas metaforicamente como uma árvore dendrítica. É aqui que a maioria do input do neurônio ocorre pela espinha dendrítica. O axônio é uma projeção mais fina, semelhante a um cabo, que pode estender dezenas, centenas ou até dezenas de milhares de vezes o diâmetro do corpo em comprimento. O axônio carrega principalmente sinais nervosos do soma, e leva alguns tipos de informação de volta a ele. Muitos neurônios têm apenas um axônio, mas esse axônio pode - e geralmente irá - passar por ramificações extensas, permitindo a comunicação com muitas células-alvo. A parte do axônio em que emerge do soma é chamada axônio de outeiro. Além de ser uma estrutura anatômica, o axônio também possui a maior densidade de canais de sódio voltagem-dependentes. Isto faz com que seja a parte mais facilmente excitada do neurônio e a zona de iniciação do pico para o 19 axônio. Em termos eletrofisiológicos, tem o potencial limiar mais negativo. Embora o axônio e o axônio sejam geralmente envolvidos no fluxo de informações, essa região também pode receber informações de outrosneurônios. O terminal do axônio é encontrado no final do axônio mais distante do soma e contém sinapses. Boutons sinápticos são estruturas especializadas onde os neurotransmissores químicos são liberados para se comunicar com os neurônios- alvo. Além dos botões sinápticos no terminal axônico, um neurônio pode ter botões de proximidade, que estão localizados ao longo do comprimento do axônio. 20 A visão aceita do neurônio atribui funções dedicadas a seus diversos componentes anatômicos; no entanto, dendritos e axônios freqüentemente atuam de maneira contrária à sua função principal. Axônios e dendritos no sistema nervoso central têm tipicamente apenas um micrômetro de espessura, enquanto alguns no sistema nervoso periférico são muito mais espessos. O soma geralmente tem cerca de 10 a 25 micrômetros de diâmetro e muitas vezes não é muito maior do que o núcleo da célula que contém. O axônio mais longo de um neurônio motor humano pode ter mais de um metro de comprimento, indo da base da coluna até os dedos dos pés. Os neurônios sensoriais podem ter axônios que vão dos dedos até a coluna posterior da medula espinhal, acima de 1,5 metro em adultos. As girafas têm axônios únicos com vários metros de comprimento ao longo de todo o comprimento de seus pescoços. Muito do que é conhecido sobre a função axonal vem do estudo do axônio gigante da lula, uma preparação experimental ideal por causa de seu tamanho relativamente imenso (0,5 a 1 milímetro de espessura, vários centímetros de comprimento). 21 Neurônios totalmente diferenciados são permanentemente pós-mitóticos, no entanto, as células-tronco presentes no cérebro adulto podem regenerar os neurônios funcionais ao longo da vida de um organismo (ver neurogênese). Os astrócitos são células gliais em forma de estrela. Eles foram observados para se transformar em neurônios em virtude de sua característica de pluripotência semelhante a células-tronco. Como todas as células animais, o corpo celular de cada neurônio é cercado por uma membrana plasmática, uma camada de moléculas lipídicas com muitos tipos de estruturas de proteínas incorporadas a ele. Uma bicamada lipídica é um poderoso isolante elétrico, mas em neurônios, muitas das estruturas de proteínas incorporadas na membrana são eletricamente ativas. Estes incluem canais iônicos que permitem que íons eletricamente carregados fluam através da membrana e bombas de íons que transportam quimicamente íons de um lado da membrana para o outro. A maioria dos canais iônicos é permeável apenas a tipos específicos de íons. Alguns canais iônicos são portadores de voltagem, o que significa que eles podem ser alternados entre estados abertos e fechados, alterando a diferença de voltagem através da membrana. Outros são 22 quimicamente fechados, o que significa que eles podem ser alternados entre estados abertos e fechados por interações com substâncias químicas que se difundem através do fluido extracelular. Os materiais iônicos incluem sódio, potássio, cloreto e cálcio. As interações entre os canais de íons e as bombas de íons produzem uma diferença de voltagem através da membrana, tipicamente um pouco menor que 1/10 de um volt no início do processo. Essa voltagem tem duas funções: primeiro, fornece uma fonte de energia para uma variedade de maquinário de proteína dependente de voltagem que está embutido na membrana; segundo, fornece uma base para transmissão de sinal elétrico entre diferentes partes da membrana. Membrana Como todas as células animais, o corpo celular de cada neurônio é cercado por uma membrana plasmática, uma camada de moléculas lipídicas com muitos tipos de estruturas de proteínas incorporadas a ele. Uma bicamada lipídica é um poderoso isolante elétrico, mas em neurônios, muitas das estruturas de proteínas incorporadas na membrana são eletricamente ativas. Estes 23 incluem canais iônicos que permitem que íons eletricamente carregados fluam através da membrana e bombas de íons que transportam quimicamente íons de um lado da membrana para o outro. A maioria dos canais iônicos é permeável apenas a tipos específicos de íons. Alguns canais iônicos são portadores de voltagem, o que significa que eles podem ser alternados entre estados abertos e fechados, alterando a diferença de voltagem através da membrana. Outros são quimicamente fechados, o que significa que eles podem ser alternados entre estados abertos e fechados por interações com substâncias químicas que se difundem através do fluido extracelular. Os materiais iônicos incluem sódio, potássio, cloreto e cálcio. As interações entre os canais de íons e as bombas de íons produzem uma diferença de voltagem através da membrana, tipicamente um pouco menor que 1/10 de um volt no início do processo. Essa voltagem tem duas funções: primeiro, fornece uma fonte de energia para uma variedade de maquinário de proteína dependente de voltagem que está embutido na membrana; segundo, fornece uma base para transmissão de sinal elétrico entre diferentes partes da membrana. 24 Histologia e estrutura interna Numerosos aglomerados microscópicos chamados corpos Nissl (ou substância Nissl) são vistos quando os corpos celulares nervosos são corados com um corante basofílico ("base- loving"). Essas estruturas consistem em retículo endoplasmático rugoso e RNA ribossômico associado. Nomeado em homenagem ao psiquiatra e neuropatologista alemão Franz Nissl (1860-1919), eles estão envolvidos na síntese de proteínas e sua proeminência pode ser explicada pelo fato de que as células nervosas são muito metabolicamente ativas. Corantes basofílicos como anilina ou (fracamente) hematoxilina [7] destacam componentes carregados 25 negativamente, e assim se ligam ao esqueleto de fosfato do RNA ribossômico. Franz Alexander Nissl (9 de setembro de 1860, Frankenthal - 11 de agosto de 1919, Munique) foi um psiquiatra e pesquisador médico alemão. Ele era um neuropatologista notável. 26 O corpo celular de um neurônio é sustentado por uma malha complexa de proteínas estruturais chamadas neurofilamentos, que, junto com os neurotúbulos (microtúbulos neuronais), são reunidas em neurofibrilas maiores. Alguns neurônios também contêm grânulos de pigmento, como a neuromelanina (um pigmento preto acastanhado que é subproduto da síntese de catecolaminas) e a lipofuscina (um pigmento marrom-amarelado), que se acumulam com a idade. Outras proteínas estruturais importantes para a função neuronal são a actina e a tubulina dos microtúbulos. A actina é encontrada predominantemente nas pontas dos axônios e dendritos durante o desenvolvimento neuronal. Lá a dinâmica de actina pode ser modulada através de uma interação com o microtúbulo. 27 Existem diferentes características estruturais internas entre axônios e dendritos. Os axônios típicos quase nunca contêm ribossomos, exceto alguns no segmento inicial. Os dendritos contêm retículo endoplasmático granular ou ribossomos, em quantidades decrescentes à medida que a distância do corpo celular aumenta. Classificação Os neurônios variam em forma e tamanho e podem ser classificados por sua morfologia e função. anatomista Camillo Golgi agrupou os neurônios em dois tipos; tipo I com longos axônios 28 usados para mover sinais por longas distâncias e tipo II com axônios curtos, que muitas vezes podem ser confundidos com dendritos. As células do tipo I podem ser ainda classificadas pela localização do soma. A morfologia básica dos neurônios do tipo I, representados pelos neurônios motores espinhais,consiste de um corpo celular chamado thesoma e um axônio longo e fino coberto por uma bainha de mielina. A árvore dendrítica envolve o corpo celular e recebe sinais de outros neurônios. O fim do axônio tem terminais de ramificação (terminal de axônio) que liberam neurotransmissores em uma lacuna chamada fenda sináptica entre os terminais e os dendritos do próximo neurônio. Classificação estrutural Os neurônios variam em forma e tamanho e podem ser classificados por sua morfologia e função. O anatomista Camillo Golgi agrupou os neurônios em dois tipos; tipo I com longos axônios usados para mover sinais por longas distâncias e tipo II com axônios curtos, que muitas vezes podem ser confundidos com dendritos. As células do tipo I podem ser ainda classificadas pela localização do soma. A morfologia básica dos 29 neurônios do tipo I, representados pelos neurônios motores espinhais, consiste de um corpo celular chamado thesoma e um axônio longo e fino coberto por uma bainha de mielina. A árvore dendrítica envolve o corpo celular e recebe sinais de outros neurônios. O fim do axônio tem terminais de ramificação (terminal de axônio) que liberam neurotransmissores em uma lacuna chamada fenda sináptica entre os terminais e os dendritos do próximo neurônio. Polaridade A maioria dos neurônios pode ser caracterizada anatomicamente como: . Unipolar: processo único . Bipolar: 1 axônio e 1 dendrito 30 . Multipolar: 1 axônio e 2 ou mais dendritos .. Golgi I: neurônios com projeção de processos axonais; exemplos são células piramidais, células de Purkinje e células do corno anterior .. Golgi II: neurônios cujo processo axonal se projeta localmente; o melhor exemplo é a célula granular . Anaxônico: onde o axônio não pode ser distinguido do (s) dendrito (s) . Pseudounipolar: 1 processo que serve então como um axônio e um dendrito Outras Alguns tipos neuronais únicos podem ser identificados de acordo localização no sistema nervoso e forma distinta. Alguns exemplos está: . Células de cesta, interneurônios que formam um denso plexo de terminais ao redor do soma de células-alvo, encontradas no córtex e no cerebelo . Células de Betz, neurônios motores grandes . Células Lugaro, interneurônios do cerebelo . Neurônios espinhosos médios, a maioria dos neurônios no corpo estriado . Células de Purkinje, neurônios enormes no cerebelo, um tipo de neurônio multipolar de Golgi I 31 . Células piramidais, neurônios com soma triangular, um tipo de Golgi I . Células de Renshaw, neurônios com ambas as extremidades ligadas a neurônios motores alfa . Células de escova unipolares, interneurónios com dendritos únicos que terminam num tufo tipo escova . Células grânulos, um tipo de neurônio de Golgi II . Células do corno anterior, motoneurônios localizados na medula espinhal . Células fusiformes, interneurônios que conectam áreas amplamente separadas do cérebro Classificação funcional Direção 32 . Neurônios aferentes transmitem informações de tecidos e órgãos para o sistema nervoso central e também são chamados de neurônios sensoriais. . Neurônios eferentes (neurônios motores) transmitem sinais do sistema nervoso central para as células efetoras. . Interneurônios conectam neurônios dentro de regiões específicas do sistema nervoso central. . Aferente e eferente também se referem geralmente a neurônios que, respectivamente, trazem informações ou enviam informações do cérebro. Ação em outros neurônios Um neurônio afeta outros neurônios liberando um neurotransmissor que se liga a receptores químicos. O efeito sobre o neurônio pós-sináptico é determinado pelo tipo de receptor que é ativado, não pelo neurônio pré-sináptico ou pelo neurotransmissor. Um neurotransmissor pode ser pensado como uma chave e um receptor como um bloqueio: o mesmo neurotransmissor pode ativar vários tipos de receptores. Os receptores podem ser classificados amplamente como excitatórios (causando um aumento na taxa de disparo), inibitórios (causando uma diminuição na 33 taxa de disparo) ou modulatórios (causando efeitos duradouros não diretamente relacionados à taxa de disparo). Os dois neurotransmissores mais comuns (90% +) no cérebro, glutamato e GABA, têm ações amplamente consistentes. O glutamato age em vários tipos de receptores, e tem efeitos que são excitatórios em receptores ionotrópicos e um efeito modulatório em receptores metabotrópicos. Da mesma forma, o GABA atua em vários tipos de receptores, mas todos eles têm efeitos inibitórios (em animais adultos, pelo menos). Devido a essa consistência, é comum os neurocientistas se referirem às células que liberam o glutamato como "neurônios excitatórios" e às células que liberam GABA como "neurônios inibitórios". Alguns outros tipos de neurônios têm efeitos consistentes, por exemplo, neurônios motores "excitatórios" na medula espinhal que liberam acetilcolina e neurônios espinhais "inibitórios" que liberam glicina. A distinção entre neurotransmissores excitatórios e inibitórios não é absoluta. Pelo contrário, depende da classe de receptores químicos presentes no neurônio pós-sináptico. Em princípio, um único neurônio, liberando um único neurotransmissor, pode ter efeitos excitatórios em 34 alguns alvos, efeitos inibitórios em outros e efeitos modulatórios em outros ainda. Por exemplo, as células fotorreceptoras da retina liberam constantemente o neurotransmissor glutamato na ausência de luz. As chamadas células bipolares são, como a maioria dos neurônios, excitadas pelo glutamato liberado. No entanto, os neurônios-alvo vizinhos, chamados de células bipolares, são inibidos pelo glutamato, porque carecem de receptores típicos de glutamato ionotrópico e, ao contrário, expressam uma classe de receptores metabotrópicos inibitórios do glutamato. Quando a luz está presente, os fotorreceptores deixam de liberar o glutamato, o que alivia as células bipolares da inibição, ativando-as; isso simultaneamente remove a excitação das células bipolares desligadas, silenciando-as. É possível identificar o tipo de efeito inibitório que um neurônio pré-sináptico terá sobre um neurônio pós-sináptico, baseado nas proteínas que o neurônio pré-sináptico expressa. Os neurônios que expressam parvalbumina normalmente amortecem o sinal de saída do neurônio pós-sináptico no córtex visual, enquanto os neurônios que expressam somatostatina tipicamente bloqueiam as entradas dendríticas no neurônio pós-sináptico. 35 Padrões de descarga Os neurônios têm propriedades intrínsecas de eletrorresistência, como os padrões oscilatórios de tensão intrínseca transmembrana. Assim, os neurônios podem ser classificados de acordo com suas características eletrofisiológicas: . Tônico ou spiking regular. Alguns neurônios são tipicamente (tonicamente) ativos, tipicamente disparando em uma freqüência constante. Exemplo: interneurônios em neurostriatum. . Phasic ou estourando. Neurônios que disparam em explosões são chamados de fásicos. . Cravação rápida. Alguns neurônios são notáveis por suas altas taxas de disparo, por exemplo, alguns tipos de interneurônios inibidores corticais, células do globus pallidus, células ganglionares da retina. Neurotransmissor Uma substância química que é liberada no final de uma fibra nervosa pela chegada de um impulso nervoso e, ao se difundir através da sinapse ou junção, causa a transferência do 36 impulso para outra fibra nervosa, uma fibra muscular ou alguma outra estrutura. . Neurônios colinérgicos - acetilcolina. A acetilcolina é liberada dos neurônios pré- sinápticos na fenda sináptica. Atua como umligante tanto para canais iônicos dependentes de ligante quanto para receptores muscarínicos metabotrópicos (GPCRs). Receptores nicotínicos são canais iônicos dependentes de ligantes pentâmeros compostos de subunidades alfa e beta que se ligam à nicotina. A ligação do ligante abre o canal, causando o influxo da despolarização do Na + e aumenta a probabilidade de liberação do neurotransmissor pré-sináptico. A acetilcolina é sintetizada a partir de colina e acetil coenzima A. . Neurónios GABAérgicos - ácido gama- aminobutírico. O GABA é um dos dois neuroinibidores do sistema nervoso central (SNC), juntamente com a glicina. O GABA tem uma função homóloga à ACh, bloqueando os canais aniônicos que permitem que Cl −ions entrem no neurônio pós-sináptico. Cl - causa hiperpolarização dentro do neurônio, diminuindo a probabilidade de um disparo de potencial de ação 37 à medida que a tensão se torna mais negativa (para um potencial de ação disparar, um limite de tensão positivo deve ser alcançado). O GABA é sintetizado a partir de neurotransmissores de glutamato pela enzima glutamato descarboxilase. . Neurônios glutamatérgicos - glutamato. O glutamato é um dos dois principais neurotransmissores de aminoácidos excitatórios, juntamente com o aspartato. Os receptores de glutamato são uma de quatro categorias, três das quais são canais iônicos controlados por ligantes e um dos quais é um receptor acoplado à proteína G (freqüentemente referido como GPCR). 1. Os receptores AMPA e Kainate funcionam como canais de cátion permeáveis aos canais de Na + que medeiam a transmissão sináptica excitatória rápida. 2. Os receptores NMDA são outro canal de cátion mais permeável ao Ca2 +. A função dos receptores de NMDA depende da ligação do receptor de glicina como um co-agonista dentro do poro do canal. Os receptores NMDA não funcionam sem os dois ligantes presentes. 38 3. Receptores metabotrópicos, os GPCRs modulam a transmissão sináptica e a excitabilidade pós-sináptica. O glutamato pode causar excitotoxicidade quando o fluxo sanguíneo para o cérebro é interrompido, resultando em danos cerebrais. Quando o fluxo sanguíneo é suprimido, o glutamato é liberado dos neurônios pré-sinápticos, causando maior ativação do receptor NMDA e AMPA do que o normal fora das condições de estresse, levando à entrada de Ca2 + e Na + no neurônio pós- sináptico e dano celular. O glutamato é sintetizado a partir do aminoácido glutamina pela enzima glutamato sintase. . Neurônios dopaminérgicos - dopamina. A dopamina é um neurotransmissor que atua em receptores acoplados a Gs do tipo D1 (D1 e D5), que aumentam os receptores cAMP e PKA e D2 (D2, D3 e D4), que ativam receptores acoplados a Gi que diminuem AMPc e PKA. A dopamina está ligada ao humor e ao comportamento e modula a neurotransmissão pré e pós-sináptica. A perda de neurônios dopaminérgicos na substância negra tem sido associada à doença de Parkinson. A dopamina é sintetizada a partir do aminoácido 39 tirosina. A tirosina é catalisada em levadopa (ou L-DOPA) pela tirosina hidroxilase, e a levadopa é então convertida em dopamina pela descarboxilase dos aminoácidos aromáticos. . Neurônios serotoninérgicos - serotonina. Serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT) pode atuar como excitatória ou inibitória. Das suas quatro classes de receptores 5-HT, 3 são GPCR e 1 é um canal de catiões dependentes de ligandos. A serotonina é sintetizada a partir do triptofano pela triptofano-hidroxilase e depois pela descarboxilase. A falta de 5-HT nos neurônios pós-sinápticos tem sido associada à depressão. Drogas que bloqueiam o transportador pré- sináptico de serotonina são usadas para tratamento, como Prozac e Zoloft. Conectividade Os neurônios se comunicam através de sinapses, onde ou o terminal axônico de uma célula entra em contato com o dendrito de outro neurônio, soma ou, menos comumente, axônio. Neurônios como as células de Purkinje no cerebelo podem ter mais de 1000 ramos dendríticos, fazendo 40 conexões com dezenas de milhares de outras células; outros neurônios, como os neurônios magnocelulares do núcleo supra-óptico, têm apenas um ou dois dendritos, cada um dos quais recebe milhares de sinapses. As sinapses podem ser excitatórias ou inibitórias, aumentando ou diminuindo a atividade no neurônio-alvo, respectivamente. Alguns neurônios também se comunicam via sinapses elétricas, que são junções diretas e eletricamente condutoras entre as células. Quando um potencial de ação atinge o terminal do axônio, ele abre canais de cálcio dependentes de voltagem, permitindo que os íons de cálcio entrem no terminal. O cálcio faz com que as vesículas sinápticas cheias de moléculas de neurotransmissores se fundam com a membrana, liberando seu conteúdo na fenda sináptica. Os neurotransmissores se difundem através da fenda sináptica e ativam os receptores no neurônio pós- sináptico. O cálcio citosólico elevado no terminal do axônio desencadeia a captação de cálcio mitocondrial, que, por sua vez, ativa o metabolismo energético mitocondrial para produzir ATP para apoiar a neurotransmissão contínua. Uma autopia é uma sinapse na qual o 41 axônio de um neurônio se conecta a seus próprios dendritos. O cérebro humano tem cerca de 1011 (cem bilhões) de neurônios com, em média, 7.000 conexões sinápticas com outros neurônios. Estima-se que o cérebro de uma criança de três anos tenha cerca de 1015 sinapses (1 quadrilhão). Este número diminui com a idade, estabilizando- se na idade adulta. As estimativas variam para um adulto, variando de 1014 a 5 x 1014 sinapses (100 a 500 trilhões). Mecanismos de propagação de potenciais de ação Em 1937, John Zachary Young sugeriu que o axônio gigante de lula poderia ser usado para estudar as propriedades elétricas neuronais. É maior do que, mas semelhante aos neurônios humanos, facilitando o estudo. Ao inserir eletrodos nos axônios gigantes das lulas, foram feitas medições precisas do potencial de membrana. A membrana celular do axônio e soma contêm canais de íons dependentes de voltagem que 42 permitem ao neurônio gerar e propagar um sinal elétrico (um potencial de ação). Alguns neurônios também geram oscilações do potencial da membrana sub-limiar. Esses sinais são gerados e propagados por íons portadores de carga, incluindo sódio (Na +), potássio (K +), cloreto (Cl−) e cálcio (Ca2 +). Vários estímulos podem ativar um neurônio levando à atividade elétrica, incluindo pressão, estiramento, transmissores químicos e alterações do potencial elétrico através da membrana celular. Os estímulos provocam a abertura de canais iônicos específicos dentro da membrana celular, levando a um fluxo de íons através da membrana celular, alterando o potencial de membrana. Os neurônios devem manter as propriedades elétricas específicas que definem seu tipo de neurônio. Neurônios e axônios finos requerem menos gastos metabólicos para produzir e transportar potenciais de ação, mas os axônios mais grossos transmitem os impulsos mais rapidamente. Para minimizar o gasto metabólico, mantendo a condução rápida, muitos neurônios têm bainhas de isolamento da mielina em torno de seus axônios. As bainhas são formadas por células gliais: oligodendrócitos no sistema nervoso central 43 e células de Schwann no sistema nervoso periférico. A bainha permite que os potenciais de ação viajem mais rápido do que nos axônios não mielinizados do mesmo diâmetro, usando menos energia. A bainha de mielina nos nervos periféricos normalmente corre ao longo do axônio em seções de cerca de 1 mm de comprimento, pontuadas por nós desembainhados de Ranvier, que contêm uma alta densidade de canais iônicos dependentesde voltagem. A esclerose múltipla é um distúrbio neurológico que resulta da desmielinização dos axônios no sistema nervoso central. Alguns neurônios não geram potenciais de ação, mas geram um sinal elétrico graduado, que, por sua vez, provoca liberação moderada de neurotransmissores. Esses neurônios não-spiking tendem a ser neurônios sensoriais ou interneurônios, porque eles não podem transportar sinais a longas distâncias. Neurônios não-spiking são neurônios que estão localizados nos sistemas nervoso central e periférico e funcionam como relés intermediários para os neurônios sensoriais-motores. Eles não exibem o comportamento característico do potencial de ação que gera neurônios. 44 Classificação de disparos neuronais Classificação de disparos neuronais ou Spike sorting é uma classe de técnicas utilizadas na análise de dados eletrofisiológicos. Algoritmos de spike sorting utilizam a forma dos registros com um ou mais eletrodos. Seu objetivo é identificar a atividade de um ou mais neurônios, separando-a do ruído de fundo. Neurônios produzem potenciais de ação que são chamados de spikes, no jargão das Neurociências. No inglês, spike significa algo pontiagudo, como um prego. Os spikes podem ser observados em registros de sinais elétricos medidos nas imediações de neurônios individuais com microeletrodos, por exemplo. Nestes registros, os potenciais de ação dos neurônios aparecem como pontas afiadas (desvios da linha de base). Eletrodos extracelulares captam as correntes sinápticas e os spikes. As correntes sinápticas têm maior tempo de duração, e os spikes, têm menor tempo de duração. Assim, os dois são facilmente separáveis. Christophe Pouzat, pesquisador do Laboratório MAP 5 da Universidade Paris Descartes sugere que, no processo identificação dos spikes seja utilizado o desvio mediano absoluto: pontos da trilha que se distanciem do desvio mediano absoluto serão considerados spikes. Spike sorting refere-se ao processo de atribuição dos spikes (picos nos dados eletrofisiológicos) a diferentes neurônios. Entende-se que a duração do potencial de ação registrada pelo eletrodo depende do tamanho e da forma do neurônio e da posição do eletrodo em relação ao neurônio. O problema pode ser mais bem compreendido por meio de uma analogia, segundo Pouzat: imagine uma festa em que as pessoas conversam e há microfones instalados nas paredes. Por meio do registro dos microfones é possível identificar os autores das falas gravadas pelos microfones, desde que seja realizada uma triagem dos registros sonoros. As pessoas corresponderiam aos neurônios, os microfones aos eletrodos e as falas, aos dados eletrofisiológicos. Os eletrodos são posicionados no lado de fora dos neurônios e, assim, muitas vezes, uma mesma trilha possui spikes (picos) de mais de um neurônio, isto é, de toda uma vizinhança. Como as formas dos picos são bastante diferentes entre neurônios distintos, é possível separar o potencial de ação de cada um deles no registro. No processo de separação, são utilizadas informações sobre toda a forma do spike, e são, então, aplicadas técnicas estatísticas como a Análise de Componentes Principais. Múltiplos eletrodos gravam formas de trilhas diferentes para cada potencial de ação emitido por neurônios na vizinhança dos eletrodos. A configuração geométrica dos eletrodos pode, então, ser usada para definir as dimensões adicionais para analisar quais spikes se originaram de cada célula da população de células gravadas. Assim, realizar spike sorting utilizando vários eletrodos é melhor do que a classificação baseada simplesmente na forma do potencial de ação. Codificação neural A codificação neural está relacionada a como a informação sensorial e outras informações são representadas no cérebro pelos neurônios. O principal objetivo do estudo da codificação neural 45 é caracterizar a relação entre o estímulo e as respostas neuronais individuais ou do conjunto, e as relações entre as atividades elétricas dos neurônios dentro do conjunto. Acredita-se que os neurônios podem codificar informações digitais e analógicas. Princípio de tudo ou nada A condução de impulsos nervosos é um exemplo de resposta "tudo ou nada". Em outras palavras, se um neurônio responde, ele deve responder completamente. A maior intensidade da estimulação, como um som de imagem / som mais alto, não produz um sinal mais forte, mas pode aumentar a frequência de disparo. Os receptores respondem de maneiras diferentes aos estímulos. Adaptadores de adaptação lenta ou tônicos respondem ao estímulo constante e produzem uma taxa constante de disparo. Os receptores tônicos na maioria das vezes respondem ao aumento da intensidade do estímulo aumentando sua frequência de disparo, geralmente como uma função de poder do estímulo plotada contra impulsos por segundo. Isso pode ser comparado a uma propriedade intrínseca da luz, onde a intensidade maior de 46 uma freqüência específica (cor) requer mais fótons, pois os fótons não podem se tornar "mais fortes" para uma freqüência específica. Outros tipos de receptores incluem rapidamente receptores adaptativos ou fásicos, onde o disparo diminui ou pára com estímulo constante; exemplos incluem a pele que, quando tocada, faz com que os neurônios disparem, mas se o objeto mantém uma pressão uniforme, os neurônios param de disparar. Os neurônios da pele e dos músculos que respondem à pressão e vibração têm estruturas acessórias de filtragem que auxiliam sua função. O corpúsculo de Pacini é uma dessas estruturas. Tem camadas concêntricas como uma cebola, que se formam ao redor do terminal axônico. Quando a pressão é aplicada e o corpúsculo é 47 deformado, o estímulo mecânico é transferido para o axônio, que é acionado. Se a pressão estiver estável, o estímulo termina; Assim, tipicamente, esses neurônios respondem com uma despolarização transiente durante a deformação inicial e, novamente, quando a pressão é removida, o que faz com que o corpúsculo se modifique novamente. Outros tipos de adaptação são importantes para ampliar a função de vários outros neurônios. O corpúsculo de Pacini ou também corpúsculo lamelar é um mecanorreceptor que se encontra no tecido conjuntivo, tanto na derme, como nas vísceras e nas articulações. Neste caso, executam ações relacionadas com a propriocepção. Como se vê na figura, os corpúsculos de Pacini são formados por uma terminação nervosa recoberta por finas camadas de tecido conjuntivo, o que lhe confere o aspecto de uma minúscula cebola (Têm cerca de 1 mm de diâmetro). Na figura, vê-se também uma arteríola que irriga o órgão. Estes receptores respondem à deformação nas suas camadas de proteção, causadas por uma pressão sobre o órgão onde estão implantados. 48 Doutrina dos neurônios A doutrina dos neurônios é a idéia agora fundamental de que os neurônios são as unidades estruturais e funcionais básicas do sistema nervoso. A teoria foi apresentada por Santiago Ramón y Cajal no final do século XIX. Considerou que os neurônios são células discretas (não conectadas em uma malha), atuando como unidades metabolicamente distintas. Descobertas posteriores renderam refinamentos à doutrina. Por exemplo, as células gliais, que não são consideradas neurônios, desempenham um papel essencial no processamento de informações. Além disso, as sinapses elétricas são mais comuns do que se pensava anteriormente, [35] compreendendo conexões citoplasmáticas diretas entre os neurônios. De fato, os neurônios podem 49 formar acoplamentos ainda mais estreitos: o axônio gigante de lula surge da fusão de múltiplos axônios. Ramón y Cajal também postulou a Lei da Polarização Dinâmica, que afirma que um neurônio recebesinais em seus dendritos e corpo celular e os transmite, como potenciais de ação, ao longo do axônio em uma direção: longe do corpo celular. A lei da polarização dinâmica tem exceções importantes; dendritos podem servir como locais de saída sináptica de neurônios e axônios podem receber entradas sinápticas. Santiago Ramón y Cajal foi um médico e histologista espanhol. Considerado o "pai da neurociência moderna", recebeu o Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1906. Neurônios no cérebro 50 O número de neurônios no cérebro varia dramaticamente de espécie para espécie. Em um ser humano, estima-se que 10 a 20 bilhões de neurônios no córtex cerebral e 55 a 70 bilhões de neurônios no cerebelo. Segundo outros pesquisadores, o cérebro humano médio tem cerca de 100 bilhões de neurônios (ou células nervosas) e muito mais neuroglia (ou células gliais). Em contraste, o verme nematódeo Caenorhabditis elegans tem apenas 302 neurônios, o que o torna um organismo modelo ideal, já que os cientistas conseguiram mapear todos os seus neurônios. A mosca da fruta Drosophila melanogaster, um assunto comum em experimentos biológicos, tem cerca de 100.000 neurônios e exibe muitos comportamentos complexos. Muitas propriedades dos neurônios, do tipo de neurotransmissor usado para composição do canal iônico, são mantidas entre as espécies, permitindo aos cientistas estudar processos que ocorrem em organismos mais complexos em sistemas experimentais muito mais simples. Doenças neurológicos 51 A Doença De Charcot – Marie – Tooth (CMT) é um distúrbio hereditário heterogêneo de nervos (neuropatia) que se caracteriza por perda de tecido muscular e sensação de toque, predominantemente nos pés e pernas estendendo-se para as mãos e braços em estágios avançados. Presentemente incurável, esta doença é um dos distúrbios neurológicos hereditários mais comuns, com 36 em 100.000 afetados. A Doença de Alzheimer (AD), tamb conhecida simplesmente como Alzheimer, uma doen neurodegenerativa caracterizada por deteriorao cognitiva progressiva, juntamente com o declio das actividades da vida diia e sintomas neuropsiquiricos ou alteraes comportamentais. O sintoma inicial mais notável é a perda da memória de curto prazo (amnésia), que geralmente se manifesta como um esquecimento menor que se torna mais pronunciado com a progressão da doença, com relativa preservação de memórias mais antigas. À medida que a doença progride, o comprometimento cognitivo (intelectual) se estende aos domínios da linguagem (afasia), movimentos especializados (apraxia) e reconhecimento (agnosia), e funções como a 52 tomada de decisões e o planejamento ficam prejudicados. A Doença de Parkinson (DP), também conhecida como doença de Parkinson, é uma desordem degenerativa do sistema nervoso central que freqüentemente prejudica as habilidades motoras e a fala. A doença de Parkinson pertence a um grupo de doenças chamadas distúrbios do movimento. É caracterizada por rigidez muscular, tremor, lentidão do movimento físico (bradicinesia) e, em casos extremos, perda de movimento físico (acinesia). Os sintomas primários são os resultados da diminuição da estimulação do córtex motor pelos gânglios da base, normalmente causados pela formação insuficiente e ação da dopamina, que é produzida nos neurônios dopaminérgicos do cérebro. Os sintomas secundários podem incluir disfunção cognitiva de alto nível e problemas de linguagem sutis. A DP é crônica e progressiva. A Miastenia Gravis é uma doença neuromuscular que leva a uma fraqueza muscular e fadigabilidade flutuantes durante atividades simples. A fraqueza é tipicamente causada por 53 anticorpos circulantes que bloqueiam os receptores de acetilcolina na junção neuromuscular pós-sináptica, inibindo o efeito estimulante do neurotransmissor acetilcolina. A miastenia é tratada com imunossupressores, inibidores da colinesterase e, em casos selecionados, timectomia. Desmielinização A desmielinização é o ato de desmielinização ou a perda da bainha de mielina que isola os nervos. Quando a mielina se degrada, a condução de sinais ao longo do nervo pode ser prejudicada ou perdida, e o nervo por fim murcha. Isso leva a certos distúrbios neurodegenerativos como esclerose múltipla e polineuropatia desmielinizante inflamatória crônica. Degeneração axônica Embora a maioria das respostas de lesão inclua uma sinalização de influxo de cálcio para promover a resselagem de partes cortadas, as lesões axonais inicialmente levam à degeneração axonal aguda, que é a rápida separação das 54 extremidades proximal e distal dentro de 30 minutos após a lesão. A degeneração segue com o inchaço do axolema e, eventualmente, leva à formação de gotas. A desintegração granular do citoesqueleto axonal e organelos internos ocorre após a degradação do axolema. As primeiras alterações incluem o acúmulo de mitocôndrias nas regiões paranodais no local da lesão. O retículo endoplasmático se degrada e as mitocôndrias incham e acabam se desintegrando. A desintegração é dependente das proteases da ubiquitina e calpaína (causadas pelo influxo do íon cálcio), sugerindo que a degeneração axonal é um processo ativo que produz fragmentação completa. O processo leva cerca de 24 horas no PNS e mais tempo no SNC. As vias de sinalização que levam à degeneração do axolema não são conhecidas. 55 Capítulo 2 Neurogênese neurogênese é o processo pelo qual as células do sistema nervoso, conhecidas como neurônios, são produzidas pelas células-tronco neurais (NSC, do inglês Neural Stem Cells) e ocorre em todas as espécies de animais, exceto nas porifera (esponjas) e placozoários. Tipos de NSCs incluem células neuroepiteliais (NECs, do inglês Neuroepithelial Cells), células gliais radiais (RGCs, do inglês Radial Glial Cells), progenitoras basais (BPs, do inglês Basal Progenitors), precursores neuronais intermediários (INP, do inglês Intermediate Neuronal Precursors), astrócitos de zona subventricular e astrócitos radiais de zona subgranular, entre outros. Célula-tronco neural As células-tronco podem se dividir indefinidamente para produzir mais células-tronco, ou se diferenciar para dar origem a células mais especializadas, como as células progenitoras A 56 neurais. Essas próprias células progenitoras se diferenciam em tipos específicos de neurônios. Como visto no diagrama abaixo, as células-tronco neurais também podem se diferenciar em células progenitoras gliais, que dão origem a células gliais, como astrócitos, oligodendrócitos e micróglia. A neurogênese é mais ativa durante o desenvolvimento embrionário e é responsável por produzir todos os vários tipos de neurônios do organismo, mas continua durante toda a vida adulta em uma variedade de organismos. Uma vez nascidos, os neurônios não se dividem. 57 Durante o desenvolvimento embrionário, o sistema nervoso central dos mamíferos (CNS; cérebro e medula espinhal) é derivado do tubo neural, que contém NSCs que posteriormente irão gerar neurônios. No entanto, a neurogênese não começa até que uma população suficiente de NSCs tenha sido alcançada. Estas primeiras células-tronco são chamadas de células neuroepiteliais (NEC), mas logo assumem uma morfologia radial altamente alongada e são então conhecidas como células gliais radiais (RGC) s. As CGR são as células-tronco primárias do sistema nervoso central (SNC) dos mamíferos e residem na zona ventricular embrionária, que fica adjacente à cavidade central do líquido (sistema ventricular) do tubo neural.] Após a proliferação de RGC, a neurogênese envolveuma divisão celular final do RGC pai, que produz um dos dois resultados possíveis. Primeiro, isso pode gerar uma subclasse de progenitores neuronais chamados precursores neuronais intermediários (INP) s, que se dividirão uma ou mais vezes para produzir neurônios. Alternativamente, os neurônios filhos podem ser produzidos diretamente. Neurônios não formam imediatamente circuitos neurais através do 58 crescimento de axônios e dendritos. Em vez disso, os neurônios recém-nascidos devem primeiro migrar longas distâncias para seus destinos finais, amadurecendo e finalmente gerando circuitos neurais. Por exemplo, neurônios nascidos na zona ventricular migram radialmente para a placa cortical, que é onde os neurônios se acumulam para formar o córtex cerebral. Assim, a geração de neurônios ocorre em um compartimento tecidual específico ou "nicho neurogênico" ocupado por suas células-tronco progenitoras. . 59 A taxa de neurogênese e o tipo de neurônio gerado (amplamente, excitatório ou inibitório) são determinados principalmente por fatores moleculares e genéticos. Esses fatores incluem, notavelmente, a via de sinalização Notch, e muitos genes foram ligados à regulação da via Notch. Os genes e mecanismos envolvidos na regulação da neurogênese são objeto de intensa pesquisa em ambientes acadêmicos, farmacêuticos e governamentais em todo o mundo. 60 A quantidade de tempo necessária para gerar todos os neurônios do SNC varia amplamente entre os mamíferos, e a neurogênese cerebral nem sempre é completa no momento do nascimento. [13] Por exemplo, os ratos sofrem neurogênese cortical de cerca de dia embrionário (dia pós-conceitual) (E) 11 a E17, e nascem a cerca de E19.5. Os furões nascem na E42, embora o período de neurogênese cortical não termine até poucos dias após o nascimento. Em contraste, a neurogênese em humanos geralmente começa em torno da semana gestacional (GW) 10 e termina em torno de GW 25 com o nascimento em torno de GW 38-40. Neurogênese adulta Mostrou-se que a neurogênese adulta ocorre em níveis baixos em comparação com o desenvolvimento, e em apenas duas regiões do cérebro: a zona subventricular adulta (SVZ) dos ventrículos laterais e o giro denteado do hipocampo. 61 Zona subventricular Em muitos mamíferos, incluindo, por exemplo, roedores, o bulbo olfatório é uma região do cérebro contendo células que detectam o olfato, caracterizando a integração de neurônios adultos, que migram da SVZ do corpo estriado para o bulbo olfatório através da corrente migratória rostral (RMS). . Os neuroblastos migratórios no bulbo olfatório tornam-se interneurônios que ajudam o cérebro a se comunicar com essas células sensoriais. A maioria desses interneurônios são células granulares inibitórias, mas um pequeno número são células periglomerulares. Na SVZ adulta, as células- tronco neurais primárias são os astrócitos da SVZ em vez das CGRs. A maioria dessas células- tronco neurais adultas permanece dormente no adulto, mas em resposta a certos sinais, essas células dormentes, ou células B, passam por uma série de estágios, primeiro produzindo células proliferativas, ou células C. As células C produzem então neuroblastos, ou células A, que se tornarão neurônios. Hipocampo 62 A neurogênese significativa também ocorre durante a idade adulta no hipocampo de muitos mamíferos, de roedores a alguns primatas, embora sua existência em humanos adultos seja debatida. O hipocampo desempenha um papel crucial na formação de novas memórias declarativas, e foi teorizado que a razão pela qual os bebês humanos não podem formar memórias declarativas é porque eles ainda estão passando por extensa neurogênese no hipocampo e seus circuitos geradores de memória são imaturos. Muitos fatores ambientais, como exercício, estresse e antidepressivos, têm relatado alterar a taxa de neurogênese dentro do hipocampo de roedores. Algumas evidências indicam que a neurogênese pós-natal no hipocampo humano diminui drasticamente nos recém-nascidos durante o primeiro ou segundo ano após o nascimento, caindo para "níveis indetectáveis em adultos". Neurogênese em outros organismos A neurogênese foi melhor caracterizada na mosca da fruta, a Drosophila melanogaster. Em 63 Drosophila, a sinalização de Notch foi descrita pela primeira vez, controlando um processo de sinalização célula-a-célula denominado inibição lateral, no qual os neurônios são seletivamente gerados a partir de células epiteliais. Em alguns vertebrados, também foi demonstrado que a neurogênese regenerativa ocorre. A neuroesteroidogênese e a produção de estrogênios, progestágenos e androgênios no cérebro. Os hormônios esteroides no cérebro exibem funções fisiológicas importantes. Os Neuroesteróides são produzidos no sistema nervoso central (SNC), seja através da síntese de novo do colesterol ou do metabolismo local do intermediário esteroide produzido na periferia. A mudança da síntese sistêmica para a local e a regulação da ação dos esteroides dentro dos tecidos-alvo, o sistema endócrino, e poderia permitir que o tecido sintetizasse e modulasse autonomamente a sinalização esteroide local. Os neuroesteróides e esteróides produzidos perifericamente têm efeitos pleiotrópicos e podem 64 modular a homeostase cerebral e as funções cerebrais. O conhecimento atual sobre a atividade e a expressão das enzimas esteroidogênicas e dos alvos dos esteróides, produzidos tanto na periferia quanto localmente no cérebro. Exercem papéis importantes os androgênios, estrogênios e progestagenos na fisiologia e comportamento, enfocando a importância sobre a neurogênese constitutiva e regenerativa, notadamente em condições de acidente vascular cerebral, bem como o impacto desses esteróides sexuais produzidos localmente no comportamento sexual. Esses estudos foram realizados em peixes, aves e mamíferos, de um ponto de vista comparativo. Tem sido discutido o transporte de esteroides periféricos através da barreira hematoencefálica (BHE) e seus efeitos sobre a sua permeabilidade. Tem sido enfatizado o papel desse transporte pelas lipoproteínas no funcionamento da BHE e durante insultos no SNC, levantando a questão dos potenciais papéis do transporte de colesterol / esteroides na neuroproteção e na neurogênese reativa. Os hormônios esteróides sexuais são sintetizados a partir do colesterol e exercem efeitos pleiotrópicos, notadamente no sistema nervoso central. Estudos pioneiros de Baulieu e 65 colegas sugeriram que os esteróides também são localmente sintetizados no cérebro. Étienne-Émile Baulieu (nascido em 12 de dezembro de 1926) é um bioquímico e endocrinologista francês que é mais conhecido por sua pesquisa no campo dos hormônios esteróides e seu papel na reprodução e envelhecimento. Esses esteróides, chamados neuroesteroides, podem modular rapidamente a excitabilidade e as funções neuronais, a plasticidade cerebral e o comportamento. Dados acumulados obtidos em uma ampla variedade de espécies demonstram que a neurosseroidogênese é uma característica evolucionária conservada em peixes, aves e mamíferos. Tem sido considerado o efeito dos esteróides sexuais na neurogênese homeostática e regenerativa, na neuroproteção e nos comportamentos sexuais. Os esteróides neuroativos são neuromoduladores endógenos sintetizados no cérebro que alteram rapidamente a excitabilidade neuronal pela ligação aos receptores de membrana, além da regulação da expressão gênica via receptores de esteróides intracelulares. Os esteróides neuroativos induzem potentes efeitos ansiolíticos, antidepressivos,anticonvulsivantes, sedativos, analgésicos e amnésicos, principalmente através da interação com o receptor GABAA. Eles 66 também exercem efeitos neuroprotetores, neurotróficos e antiapoptóticos em vários modelos animais de doenças neurodegenerativas. Os esteróides neuroativos regulam muitas funções fisiológicas, como a resposta ao estresse, a puberdade, o ciclo ovariano, a gravidez e a recompensa. Seus níveis são alterados em várias doenças neuropsiquiátricas e neurológicas e estudos pré-clínicos e clínicos enfatizam um potencial terapêutico de esteróides neuroativos para essas doenças, em que a sintomatologia melhora com a restauração das concentrações de esteróides neuroativos. Entretanto, a administração direta de esteróides neuroativos tem vários desafios, incluindo farmacocinética, baixa biodisponibilidade, potencial de dependência, segurança e tolerabilidade, que limitam seu uso terapêutico. Portanto, a modulação da neurosseroidogênese para restaurar o tônus esteróide neuroativo endógeno alterado pode representar uma melhor abordagem terapêutica Impacto da progesterona nos tecidos neuronais 67 O impacto da progesterona sobre os tecidos neuronais no sistema nervoso central (SNC) e periférico (SNP) é de grande interesse científico e terapêutico. Células gliais e neuronais de vertebrados expressam enzimas esteroidogênicas e são capazes de sintetizar a progesterona de novo a partir do colesterol. A progesterona é descrita como tendo efeitos neuroprotetores, neurorreativos, anti- degenerativos e antiapoptóticos no SNC e no SNP. Assim, os primeiros estudos clínicos prometem novas opções terapêuticas utilizando progesterona no tratamento de pacientes com traumatismo cranioencefálico. Além disso, dados experimentais de diferentes modelos animais sugerem efeitos positivos adicionais da progesterona em doenças neurológicas, como isquemia cerebral, lesão do nervo periférico e esclerose lateral amiotrópica. Assim, a progesterona é um neurosteróide multilateral com funções variadas em regiões divergentes do SNC e SNP. A progesterona age através de alguns receptores específicos e não específicos, induzindo mecanismos genômicos e não genômicos. Este grau de versatilidade dá origem a uma ampla gama de potenciais opções 68 terapêuticas para o uso de progesterona em diferentes distúrbios neurológicos. 69 Capítulo 3 Neuroplasticidade, estresse e longevidade neuronal neuroplasticidade, também conhecida como plasticidade cerebral, neuroelasticidade ou plasticidade neural, é a capacidade do cérebro de mudar ao longo da vida de um indivíduo, por exemplo, a atividade cerebral associada a uma determinada função pode ser transferida para um local diferente, mudanças e sinapses podem fortalecer ou enfraquecer com o tempo. Pesquisas na segunda metade do século XX mostraram que muitos aspectos do cérebro podem ser alterados (ou são "plásticos") mesmo na idade adulta. No entanto, o cérebro em desenvolvimento exibe um maior grau de plasticidade do que o cérebro adulto. A neuroplasticidade pode ser observada em múltiplas escalas, desde alterações microscópicas nos neurônios individuais até mudanças maiores em escala, como o remapeamento cortical em resposta à lesão. Comportamento, estímulos ambientais, pensamentos e emoções também podem causar alterações neuroplásticas através A 70 da plasticidade dependente de atividade, o que tem implicações significativas para o desenvolvimento saudável, aprendizado, memória e recuperação de danos cerebrais. No nível de célula única, a plasticidade sináptica refere-se a mudanças nas conexões entre os neurônios, enquanto a plasticidade não-sináptica refere-se a mudanças em sua excitabilidade intrínseca. O cérebro adulto não é totalmente "hard-wired" (“conectado”), com circuitos neuronais fixos. Há muitos casos de religação cortical e subcortical de circuitos neuronais em resposta ao treinamento, bem como em resposta à lesão. Há evidências sólidas de que a neurogênese (nascimento de células cerebrais) ocorre no cérebro adulto de mamíferos - e essas mudanças podem persistir até a velhice. A evidência da neurogênese está restrita principalmente ao hipocampo e ao bulbo olfatório, mas pesquisas atuais revelaram que outras partes do cérebro, incluindo o cerebelo, também podem estar envolvidas. No entanto, o grau de religação induzido pela integração de novos neurônios nos circuitos estabelecidos não é conhecido, e essa religação pode ser funcionalmente redundante. Existe agora ampla evidência para a reorganização ativa, dependente da experiência, 71 das redes sinápticas do cérebro envolvendo múltiplas estruturas inter-relacionadas, incluindo o córtex cerebral. Os detalhes específicos de como esse processo ocorre nos níveis molecular e ultraestrutural são tópicos de pesquisa ativa em neurociência. O modo como a experiência pode influenciar a organização sináptica do cérebro é também a base de várias teorias da função cerebral, incluindo a teoria geral da mente e o darwinismo neural. O conceito de neuroplasticidade também é central para as teorias da memória e da aprendizagem que estão associadas à alteração da estrutura sináptica e da função dirigida pela experiência em estudos de condicionamento clássico em modelos de animais invertebrados, como a Aplysia. O gênero Aplysia pertence à família Aplysiidae. É um género de lebre-do-mar, um tipo de lesmas-do-mar. Estes animais, quando ameaçados, libertam nuvens de tinta para dificultar a visão ao atacante. Tratamento de dano cerebral 72 Uma conseqüência surpreendente da neuroplasticidade é que a atividade cerebral associada a uma determinada função pode ser transferida para um local diferente; isso pode resultar da experiência normal e também ocorre no processo de recuperação da lesão cerebral. A neuroplasticidade é a questão fundamental que sustenta a base científica para o tratamento da lesão cerebral adquirida com programas terapêuticos experienciais direcionados por objetivos, no contexto das abordagens de reabilitação para as conseqüências funcionais da lesão. A neuroplasticidade está ganhando popularidade como uma teoria que, pelo menos em parte, explica melhorias nos resultados funcionais com fisioterapia pós-AVC. Técnicas de reabilitação que são apoiadas por evidências que sugerem reorganização cortical como mecanismo de mudança incluem terapia de movimento induzida por restrição, estimulação elétrica funcional, treinamento em esteira com suporte de peso corporal e terapia de realidade virtual. A terapia assistida por robô é uma técnica emergente, que também se acredita que funcione por meio de neuroplasticidade, embora atualmente não haja evidências suficientes para 73 determinar os mecanismos exatos de mudança quando se usa este método. Um grupo desenvolveu um tratamento que inclui aumento dos níveis de injeções de progesterona em pacientes com lesão cerebral. "A administração de progesterona após traumatismo cranioencefálico (TCE) e derrame cerebral reduz o edema, a inflamação e a morte celular neuronal e melhora a memória de referência espacial e a recuperação sensorial motora." Em um ensaio clínico, um grupo de pacientes gravemente feridos teve uma redução de 60% na mortalidade após três dias de injeções de progesterona. No entanto, um estudo publicado no New England Journal of Medicine em 2014 detalhando os resultados de um ensaio clínico de fase III multi-center financiado pelo NIH de 882 pacientes descobriu que o tratamento da lesão cerebral traumática aguda com o hormônio progesterona não fornece benefícios significativosaos pacientes quando comparado com placebo. Visão Durante décadas, os pesquisadores presumiram que os seres humanos tinham que adquirir visão binocular, em particular a estereopsia, na primeira 74 infância ou nunca conseguiriam isso. Nos últimos anos, no entanto, melhorias bem-sucedidas em pessoas com ambliopia, insuficiência de convergência ou outras anomalias de visão estéreo tornaram-se exemplos primordiais de neuroplasticidade; As melhorias na visão binocular e a recuperação da estereopsia são agora áreas ativas de pesquisa científica e clínica. Neuroplasticidade e função sensorial A neuroplasticidade está envolvida no desenvolvimento da função sensorial. O cérebro nasce imaturo e se adapta às entradas sensoriais após o nascimento. No sistema auditivo, a deficiência congênita da audição, condição congênita bastante freqüente que afeta 1 de 1000 recém-nascidos, tem afetado o desenvolvimento auditivo, e o implante de próteses sensoriais ativando o sistema auditivo preveniu os déficits e induziu a maturação funcional do sistema auditivo . Devido a um período sensível para a plasticidade, há também um período sensível para tal intervenção nos primeiros 2 a 4 anos de vida. Consequentemente, em crianças surdas pré- 75 linguais, o implante coclear precoce, como regra, permite que as crianças aprendam a língua materna e adquiram comunicação acústica. Estilo de vida como moduladores da neuroplasticidade A capacidade dos neurônios no cérebro de mudar e se reorganizar continuamente para atender às demandas dinâmicas do ambiente interno e externo é denominada plasticidade neuronal. Esse processo é dependente da despolarização da membrana do neurônio, da atividade sináptica induzida pelo estímulo e das mudanças subsequentes na morfologia dendrítica, características centrais da aprendizagem e da memória. É importante ressaltar que a AP de longo prazo modera os processos que são a pedra angular da neuroplasticidade. Van Praag et al. demonstraram que camundongos que receberam acesso voluntário a rodas de corrida exibiram um aumento seletivo da potenciação de longo prazo (LTP) no giro denteado, um fenômeno ligado a aumentos concomitantes. 76 O giro dentado faz parte de uma região do cérebro conhecida como hipocampo (parte da formação do hipocampo). Acredita-se que o giro dentado contribui para a formação de novas memórias episódicas, a exploração espontânea de novos ambientes e outras funções. É notável como sendo uma das poucas estruturas cerebrais selecionadas atualmente conhecidas por terem taxas significativas de neurogênese adulta em muitas espécies de mamíferos, de roedores a primatas (outros locais incluem a zona subventricular do estriado e do cerebelo). No entanto, se a neurogênese existe no giro dentado humano adulto é atualmente uma questão de debate. Fatores de plasticidade e estilo de vida criam um imperativo para melhor entender e aproveitar esses elos para promover o envelhecimento saudável e evitar o aparecimento de doenças. Diversos órgãos nacionais têm afirmado essa noção, incluindo os Institutos Nacionais de Saúde, os Centros de Controle de Doenças, a Associação de Alzheimer e a Associação Americana de Aposentados (AARP). Atividade física 77 Numerosos estudos relataram uma relação robusta entre níveis mais altos de PA e melhor aprendizado e memória. Estudos epidemiológicos mostram que a PA regular reduz o risco de declínio cognitivo no envelhecimento dos adultos, com algumas evidências indicando que a AF na meia-idade pode ser especialmente benéfica. Um estudo de base populacional de PA na meia- idade, seguido 26 anos depois com uma avaliação da função cognitiva do final da vida, descobriu que grupos que participaram de PA durante a meia-idade exibiram uma velocidade maior de processamento junto com melhor memória e função executiva. Além disso, aqueles no grupo moderado PA foram significativamente menos propensos a ter demência no final da vida. Uma meta-análise de 29 ensaios clínicos randomizados (n = 2049) mostrou que os exercícios aeróbicos exibiram melhorias na atenção, velocidade de processamento, memória e função executiva. Outra metanálise de 15 estudos prospectivos (n = 33.816 pessoas sem demência) relatou que a AF consistentemente resultou em um efeito protetor em todos os níveis de atividade. Os achados de um estudo de escolares demonstram claramente uma 78 correlação positiva entre PA e desempenho acadêmico. De fato, níveis mais elevados de aptidão cardiorrespiratória têm sido associados a melhor desempenho em uma tarefa de memória relacional e maiores volumes hipocampais em crianças, achados que foram recapitulados em adolescentes. Juntos, esses resultados sugerem que os benefícios centrais generalizados da AF na cognição abrangem os grupos etários. Estudos clínicos demonstram uma relação positiva entre PA e estrutura e função cerebral. Um estudo neuroanatômico de pessoas de 55 a 79 anos demonstrou que declínios relacionados à idade na densidade do tecido cortical nos córtices frontal, temporal e parietal foram significativamente reduzidos em função da aptidão cardiovascular, um fato interessante, uma vez que essas áreas são subjacentes à função executiva e ainda exibem a maior taxa de declínio relacionado à idade em humanos. Outro estudo de pessoas idosas mostrou uma correlação direta entre o aumento dos níveis de AF e melhora na cognição, com aumento do volume hipocampal visto após o exercício crônico, apoiando a ideia de que a AF pode prevenir a deterioração anatômica e fisiológica relacionada à idade no cérebro. Reforçando a noção de efeitos centrais positivos 79 da PA estão os estudos pré-clínicos e clínicos demonstrando efeitos neuroprotetores e neuroplásticos através de uma variedade de doenças neurodegenerativas e neuropsiquiátricas. Uma recente análise sistemática de 38 estudos em animais e humanos relatou que o PA atenua a neuropatologia relacionada ao Alzheimer e afeta positivamente a função cognitiva mediada pelo hipocampo, particularmente quando implantada no início do processo da doença. Os achados de outra revisão sistemática e metanálise demonstram que a AF é benéfica para pessoas com transtorno de Parkinson, especificamente em áreas de funcionamento físico, qualidade de vida relacionada à saúde, força, equilíbrio e velocidade da marcha. Além disso, uma revisão recente de ensaios clínicos demonstrou que o exercício agudo e crônico geralmente aumenta os níveis de fatores tróficos no plasma e soro em pessoas com condições neurodegenerativas, incluindo aquelas com esclerose múltipla. Além disso, PA mostrou promessas claras e consistentes na promoção da neuroplasticidade em pessoas com transtornos de humor e, assim, melhorando os resultados comportamentais e neurobiológicos, efeitos que se estendem a pessoas com transtorno de estresse pós-traumático. Em pessoas com 80 esquizofrenia, as evidências sugerem que a PA melhora a cognição global, a memória de trabalho, a cognição social e a atenção. Um estudo randomizado controlado em pessoas com esquizofrenia demonstrou que o AP induziu um aumento de 12% no volume do hipocampo em relação aos não-exercitadores. Embora as cascatas celulares e moleculares dinâmicas que fundamentam a associação entre PA, cognição e estrutura e função cerebral ainda não tenham sido totalmente elucidadas, vários mecanismos modificáveis que alteram a plasticidade neural têm ganhado atenção recentemente, especialmente sinalização neurotrófica, neurogênese, inflamação, estresse. resposta e mecanismos de defesa antioxidante. É certo que uma revisão exaustiva de todos os fatores relacionados ao envelhecimento
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