DIEGO PEREIRA AGUIAR

PLUGADO NAS CONEXÕES: A FÍSICA NO CÉREBRO HUMANO.

BELO HORIZONTE

2011

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 2

2 O MOVIMENTO E AS REDES DE COMUNICAÇÕES NEURAIS .............................. 4

3 POTENCIAL DE AÇÃO E A BIOELETRICIDADE CEREBRAL ............................... 5

4 CRONOGRAMA ................................................................................................................... 6

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 7

ANEXO .................................................................................................................................... 10

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1 INTRODUÇÃO

“...Penso, logos existo...”

Inicialmente deve-se analisar o fato de que a leitura desse artigo está relacionada em

função de uma decisão tomada posteriormente. Essa decisão envolve uma série de fatores e

será interessante analisar pelo menos um deles. É correto dizer também que a própria leitura

do artigo está relacionada com essa tomada de decisão. A maneira como se processa a

informação codificada que compõem esse texto e que chamamos de escrita está ligada à

linguagem a que esse código faz referência. Antes de prosseguir é importante notar que

controlamos todas as decisões que tomamos por meio de nosso cérebro uma vez que temos

total autonomia sobre ele. Será isso verdade?

É indispensável nos perguntarmos agora se a mente depende apenas das estruturas dos

processos cerebrais. E quanto à realização física dos mesmos?

É bem verdade que qualquer afirmação que for feita sem verificação dos processos

sinápticos e sua relação com as redes neurais não terá validade nesse estudo.

Segundo o pesquisador do cérebro Andrew Newberg, o cérebro é a estrutura mais

complexa do nosso planeta já que controla todas as atividades do nosso corpo como a

digestão, os batimentos cardíacos, a temperatura, funcionamento sexual, a memória, a

aprendizagem e as emoções. Algumas dessas atividades são involuntárias, ou seja, o cérebro

não depende de nossa vontade para iniciar ou parar essas funções. Todos esses processos

ocorrem por meio dos neurônios, temos algo em torno de 100 bilhões de neurônios em nosso

cérebro, é um número próximo da quantidade de estelas da Via-Láctea. É muito comum

relacionar o cérebro humano com um computador, no entanto nosso cérebro é pelo menos mil

vezes mais rápido que o supercomputador mais rápido do mundo. Ele nunca desliga ou sequer

descansa durante a nossa vida inteira. Calcula-se que o número de átomos do universo inteiro

é inferior ao número de possíveis conexões em um cérebro humano. Embora sua estrutura seja

muito complexa tudo está bem organizado já que o próprio cérebro projeta os modelos e

redistribui as peças do sistema, como um grande laboratório. Passamos grande parte de nossas

vidas aprendendo, a neuroplasticidade cerebral permite que enquanto o cérebro estiver

funcionando, haverá sempre possibilidade de sua reacomodação. Algumas informações são

inscritas naturalmente, como por exemplo, o processamento visual, uma vez que não

aprendemos a enxergar, ou o ritmo de batimentos do coração, dentre outras informações que

são triviais para nossa sobrevivência e que são intrínsecas à natureza de qualquer ser vivo.

Bem você está prestes a seguir para próxima página e seu punho fará um movimento

ordenado para virar a folha de papel. A complexidade como esta ação simples ocorre é

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fascinante.

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2 O MOVIMENTO E AS REDES DE COMUNICAÇÕES NEURAIS

Um pequeno pedaço do cérebro do tamanho de um grão de areia contém 100 mil

neurônios e 1 bilhão de sinapses. Essas minúsculas células nervosas que se estão sempre se

comunicando são os neurônios. Nos pontos em que se conectam com outros neurônios

ocorrem de mil a 10 mil sinapses. Uma sinapse é um micro-pulso elétrico entre células

nervosas através da bioeletricidade. São essas conexões que formam as redes utilizadas pelos

neurônios. Embora tudo esteja organizado essas redes neurais não são isoladas, pois estão

todas interconectadas. As idéias são construídas por essas interconexões através de uma

lembrança, uma habilidade ou um fragmento de informação. Sendo assim todas as

experiências dão forma neurológica a essas redes. Através de uma sinapse, é possível enviar

simultaneamente para mais de 10 mil outras células nervosas, impulsos de um único neurônio.

No momento anterior em que virava a página ocorreu exatamente esse processo, pois o

cérebro conhecia a informação de como fazê-lo e essa informação teve que ser acessada

através dessas redes. Nesse processo o nervo que vai até o punho é conectado com a célula

nervosa da medula através da sinapse. Ao sair da medula espinhal o impulso para flexionar o

punho tem que chegar ao nervo que vai até o músculo que, ao se contrair, efetua a flexão do

punho. Ante todo esse processo temos a informação em nosso cérebro de como efetuar esse

movimento, mas antes disso também há a consciência de querer fazê-lo. É interessante saber

como o cérebro armazena a informação de como executar o movimento, como essa

informação é acessada e quanto a consciência de permitir e viabilizar esse movimento. Todo

esse processo requer a utilização de inúmeras células nervosas e incontáveis sinapses e a

velocidade com que isso ocorre é assustadora, de modo que fica muito difícil a medição da

freqüência desses micro-pulsos bioelétricos entre uma conexão e outra

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3 POTENCIAL DE AÇÃO E A BIOELETRICIDADE CEREBRAL

Os processos que ocorrem nas células nervosas só podem ser mais claramente

compreendidos se retornarmos a 1869. Nesse ano foi proposto por Otto Friedrich Karl Deiters

que havia dois tipos diferentes de processos ramificados nas células nervosas: Os dendritos e

os axônios. Mais tarde, por volta de 1870, o alemão Julius Bernstein contribui amplamente no

entendimento do fator de polarização e despolarização das células nervosas, durante o

potencial de ação, onde a membrana do neurônio e da fibra muscular são polarizadas

eletricamente mesmo quando inativas, com a superfície externa positiva em relação à interna.

Logo pode perceber-se que o potencial de ação é uma despolarização auto-propagada da

despolarização da membrana. H. P. Bowdich determinou, dando seqüência ao estudo anterior,

que o potencial de ação do músculo é um fenômeno tudo-ou-nada (se a intensidade de

estimulação atinge um limiar mínimo, ele ocorre, com intensidade independente da

estimulação, caso contrário não ocorre). Após essas descobertas Francis Gotch descobre o

mesmo para o potencial de ação do nervo.

Em 1922, a partir do trabalho “A Study Of The Action Currents Of Nerve With A

Cathode Ray Oscillograph ” que só foi possível após a invenção do osciloscópio de tubo de

raios catódicos, Herbert Spencer Gasser, Joseph Erlanger e Edgard D. Adrian, conseguem

demonstrar o decurso temporal preciso do potencial de ação, seu período refratário, as

respostas locais gradativas (potenciais elétricos) e a natureza iônica das respostas tudo-ou-

nada. Posteriormente foi descoberto por Erlanger e Gasser a existência de vários tipos de

fibras nervosas, que podem ser classificadas de acordo com sua velocidade de comunicação.

A lei do tudo ou nada diz que: Um neurônio só consegue enviar um impulso se a

intensidade do impulso for acima de um determinado nível, fazendo com que a sua membrana

seja despolarizada e repolarizada. Este valor mínimo que permite a transmissão do potencial

de ação é conhecido como potencial limiar. Os valores abaixo do potencial limiar são

conhecidos como sublimiares, e cada célula tem um valor característico de potencial limiar.

(CED/UFSC)

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4 MEMBRANA DO NEURÔNIO

“A membrana plasmática tem um neurônio semipermeável: altamente permeável aos

íons K+ e fracamente permeável aos íons Cl – e íons Na+ . No fluido extracelular a eletro-

neutralidade é preservada por um balanço entre uma alta [Na+ ] e uma alta [Cl – ], assim como

pequenas quantidades de íons como bicarbonato, fósforo, sulfato e outros. No citoplasma, onde a

[K+ ] é alta, a [Cl – ] é muito menor daquela necessária para balancear a soma das cargas positivas.

A eletro-neutralidade é então mantida por proteínas negativamente carregadas que interagem com a

membrana citoplasmática. Um balanço osmótico é mantido entre o citoplasma e o líquido

extracelular. Estas propriedades: a pressão osmótica, a eletro-neutralidade de cada lado da

membrana, semi-permeabilidade, criam um potencial elétrico de equilíbrio no qual a parte interna

da membrana é mais negativa que a parte externa, chamado de potencial da membrana que varia

entre -60 a -75milivolts (o sinal negativo indica que a parte interior da membrana é negativa). Neste

estado o neurônio é dito estar polarizado. O neurônio pode ser hiper-polarizado (potencial mais

negativo) ou despolarizado (potencial menos negativo).” (Revista eletrônica do Departamento de

Química-UFSC- NeuroQuímica).

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IMAGENS AÇÃO CEREBRAL (IRMF).

A relação entre a atividade cerebral e o aumento do fluxo sanguíneo local abre uma

janela para os estudos e criação de imagens com base nessa relação. No entanto sabe-se que

um maior consumo de oxigênio pelo cérebro não é acompanhado do aumento desse fluxo

sanguíneo.

Nas atividades cerebrais há atuação de dois tipos de hemoglobinas, a hemoglobina

oxigenada (oxi-Hb) e hemoglobina desoxigenada (deoxi-Hb). Durante as atividades cerebrais

identifica-se uma alteração local na razão entre a (oxi-Hb) e a (deoxi-Hb). Em consequência disso

ocorre redução na concentração da hemoglobina desoxigenada.

Nesses dois tipos de hemoglobinas verifica-se distintas características magnéticas justamente

relacionada à oxigenação dessas hemoglobinas. No caso da hemoglobina desoxigenada,sua

característica é paramagnética, enquanto que a hemoglobina oxigenada é diamagnética. Com base

nessa relação espera-se que haja um contraste das imagens em regiões de atividade cerebral

relacionada à diminuição de concentração de deoxi-HB.

Esse contraste obtido nessas imagens é conhecido como (Bold- blood oxigen level dependent),

quando ajustado com a ressonância magnética, permite a criação de uma imagem funcional do

cérebro. No entanto o contraste dessas imagens não é muito grande, algo em torno de 3% a 4%, mas

que ainda assim permite a identificação dessa variação do contraste através de algoritmos

computacionais já que essa faixa de variação seria muito pequena para a sua verificação visual

direta. O avanço dos estudos da obtenção dessas imagens se deu por volta da década de 90 e tem

importante papel no mapeamento das funções cerebrais e da intensidade de atividade cerebral

localizada.

DOR / AÇÃO CEREBRAL.

Segundo Antônio Damásio as respostas do cérebro em relação à dor física ocorrem mais

rapidamente que as respostas referentes à dor mental. Para Damásio as respostas à dor física

não só surgem mais rápido como se desfaz mais rapidamente também, já a dor mental demora

mais a se estabelecer e a se desfazer. Existe uma região do cérebro chamada de Córtex Insular

que é justamente responsável pelo processamento dessas respostas relacionadas às sensações.

No caso da compaixão pela dor física, as respostas no córtex insular são bem mais rápidas

que a compaixão pela dor mental. Nesse sentido Damásio acredita que a admiração e a

compaixão , duas notáveis “emoções sociais,” tem diferentes regiões do cérebro onde elas se

manifestam.

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A diversidade nos mecanismos de neurotransmissão permite ao cérebro atender a várias

demandas. Algumas ações requerem rápidas respostas, como pisar com o pé no freio, desviar

a bola para o gol ou tirar a mão de uma chapa quente. Para processar e enviar a informação

necessária, existem grandes fibras nervosas que conduzem os impulsos a cerca de 100 metros

por segundo. Outras atividades, como algumas ligadas ao aprendizado, carregam a

informação mais lentamente, a 20 ou 30 metros por segundo.

A transferência de informação entre as sinapses é um processo complexo e cheio de

diversidades. Nem todos os sinais repassados de neurônio a neurônio têm como mensagem a

estimulação. Em alguns casos, o neurotransmissor liberado tem justamente a missão de

"tranquilizar" e inibir a célula vizinha. Sem esse efeito modulador, o cérebro entraria em

colapso. A estimulação simultânea e desordenada de células resulta em manifestações

desastrosas, como as crises epiléticas.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

The Physics of the Brain <web.bryant.edu/~bblais/pdf/job_talk/index.htm> Acessado em 22 de novembro de

2011.

Horgan, J. (1994): "Can Science Explain Consciousness?", Scientific American, julho, 72-78.

As longas asas dos neurônios Edição Impressa 118 - Dezembro 2005 Projeto de Pesquisa Universidade de São

Carlos. <www.revistapesquisa.fapesp.br/?art=2768&bd=1&pg=1&lg=>a> acessado em 22 de novembro de

2011.

Revista Brasileira de Ensino de Física

Rev. Bras. Ensino Fís. vol.32 no.1 São Paulo Jan./Mar. 2010

<http://dx.doi.org/10.1590/S1806-11172010000100007 > acessado em 22 de novembro de 2011.

Damasio AR. How the brain creates the mind. Scientific American, 281: 74–79, 1999.

Damasio AR. Investigating the biology of consciousness. Transactions of the Royal Society (London), 353:

1879–1882, 1998.

Revista eletrônica do Departamento de Química-UFSC- NeuroQuímica).

<http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/neuroquimica.html>

Física para ciências biológicas e biomédicas, E. Okuno, I.L. Caldas e C. Chow, Harper & Row do Brasil, 1982.

Biofísica, J.E.R. Durán, Pearson, 2003.

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ANEXO