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Neuropsiquiatria e neurociências na prática clínica 17

Princípios básicosde neurociências

Parte IParte I


Biologia celular emolecular do neurônio

A. Kimberley McAllister, Ph.D.W. Martin Usrey, Ph.D.Arnold R. Kriegstein, M.D., Ph.D.Stephen Rayport, M.D., Ph.D.

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Muitos transtornos neuropsiquiátricos podem ser relacio-nados a aberrações em mecanismos do desenvolvimen-

to neural. Nos estágios iniciais do desenvolvimento cerebral,interações celulares representam a força dominante no esta-belecimento de conexões no cérebro. À medida que os circui-tos se formam, os neurônios individuais, bem como suas co-nexões, são refinados de um modo dependente da atividade,direcionados por sua atividade intrínseca e pela competiçãopor fatores tróficos. Em um estágio mais maduro, a experiên-cia torna-se a força dominante ao dar forma às conexões neu-ronais e ao regular sua eficácia. No cérebro maduro, essesmecanismos relacionados ao desenvolvimento neural são con-trolados de maneira diferente e medeiam a maioria dos pro-cessos plásticos (Black, 1995; Kandel e O’Dell, 1992). Os trans-tornos neuropsiquiátricos originados de problemas nodesenvolvimento cerebral inicial são provavelmente geradosintrínseca ou geneticamente, enquanto os surgidos duranteestágios mais tardios são provavelmente relacionados à expe-riência. Na senescência, processos neurodegenerativos podemdesconectar circuitos neurais por mecanismos de desenvolvi-mento neural empregados erroneamente.

A experiência é tão importante no ajuste fino das cone-xões neurais, que experiências aberrantes — particularmentedurante os períodos críticos do desenvolvimento — podemdar origem ou exacerbar transtornos neuropsiquiátricos. Porexemplo, a oclusão monocular ou o estrabismo em animaisjovens ocasiona uma conectividade patológica permanente nosistema visual (Hubel et al., 1997). Em humanos, falhas navisão conjugada durante a infância resultam em perda visualpermanente. Alterações similares, porém mais sutis, ocorremna infância, durante o aprendizado. A partir de trabalhos rea-lizados em sistemas nervosos simples de animais, tais como alesma marinha Aplysia (Kandel, 1989), sabe-se que alteraçõesem conexões sinápticas codificam a memória. Aqui, também,experiências anormais podem alterar permanentemente o pa-drão da conectividade neuronal. No cérebro humano, estudosde imagem começam a revelar alterações regionais na ativida-de cerebral que ocorrem após o aprendizado, sugerindo alte-

rações na força das conexões neuronais (Pantev et al., 1998;Sadato et al., 1996). Atualmente, pode-se demonstrar que al-guns transtornos neuropsiquiátricos funcionais apresentamum impacto direto sobre a estrutura cerebral; por exemplo, otranstorno de estresse pós-traumático tem sido associado aalterações no tamanho do hipocampo (Bremner et al., 1995).

Neste capítulo, focalizaremos primeiro a função celulardos neurônios e, a seguir, o modo como se desenvolvem. Oritmo dos avanços recentes nos deixa confiantes de que, emum futuro não muito distante, será possível intervir duranteos estágios iniciais do desenvolvimento para corrigir aberra-ções no crescimento e na diferenciação neuronais, ou maistardiamente para corrigir a sinalização neuronal, dessa formaconseguindo tratamentos revolucionários para os transtornosneuropsiquiátricos.

FUNÇÃO CELULAR DOS NEURÔNIOS

Cada neurônio no cérebro recebe sinais de milhares deneurônios, os quais, por sua vez, enviam informações a milha-res de outros neurônios. Enquanto a atividade em neurôniossensoriais periféricos pode representar pequenos pedaços deinformação, a atividade das redes dos neurônios no sistemanervoso central (SNC) representa a informação sensorial inte-grada e associativa. Os neurônios do SNC podem ser vistoscomo parte de uma associação celular dinâmica que troca suaparticipação de uma rede para outra na medida em que a in-formação é utilizada em tarefas variadas. A sofisticação dessasredes depende tanto das propriedades dos próprios neurôniosquanto dos padrões e da força de suas conexões.

Composição celular do cérebro

As células cerebrais compreendem dois tipos principais:os neurônios e a glia. Os neurônios são o substrato para amaior parte do processamento de informações, enquanto se acre-dita classicamente que a glia desempenha o papel de suporte.

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Os neurônios são células altamente diferenciadas que apre-sentam considerável heterogeneidade de forma e tamanho; naverdade, existem mais tipos de neurônios do que tipos de cé-lulas em qualquer outra parte do corpo. Alguns deles estãoentre as maiores células do corpo, como no caso dos neurôni-os motores superiores, que se projetam à medula espinal lom-bar e apresentam axônios de um metro ou mais de compri-mento; outros estão entre as menores células do corpo, comono caso das células granulares do cerebelo. Os neurônios sãoextremamente numerosos, e suas interconexões, chamadas si-napses, são ainda mais numerosas. O cérebro humano con-tém entre 1012 e 1013 neurônios. Se cada neurônio forma umamédia de 103 conexões, o que é uma estimativa mínima, entãoo cérebro possui pelo menos de 1015 a 1016 sinapses.

As células gliais podem ser divididas em três classes: 1)astrócitos, 2) oligodendrócitos e 3) microglia. Os astrócitosapresentam três funções tradicionais: fornecem o assoalho desustentação cerebral, formam a barreira hematencefálica eguiam a migração neuronal durante o desenvolvimento. En-tretanto, existe um número crescente de evidências de que ascélulas astrogliais são mais dinâmicas do que se suspeitavaanteriormente e de que são capazes de realizar sinalização ce-lular a longas distâncias (Dani et al., 1992; Murphy et al., 1993).Além disso, podem influenciar a atividade neuronal, facilitar aconectividade neuronal e desempenhar um papel crítico naregulação da excitabilidade neuronal durante processos nor-mais, bem como em estados patológicos (Araque et al., 1999;Mennerick e Zorumbski, 1994; Nedergaard, 1994; Pfrieger eBarres, 1997). Os oligodendrócitos produzem a bainha de mi-elina, a qual aumenta a velocidade da condução de potenciaisde ação ao longo dos axônios. Assim, em pacientes com escle-rose múltipla, resultante de um ataque imunológico à princi-pal proteína da bainha de mielina (proteína básica da mielina),ocorre uma falha na condução do potencial de ação. As mi-croglias são os macrófagos do cérebro; via de regra, permane-cem quiescentes até serem ativadas por lesões neuronais.

Forma neuronal

Os neurônios compartilham uma organização comum, aqual é ditada por sua função — receber, processar e transmitirinformação. O grande neuroanatomista espanhol SantiagoRamón y Cajal chamou isso de polarização dinâmica (Craig eBanker, 1994). Embora os neurônios apresentem grande di-versidade de tamanhos e formas, geralmente têm quatro re-giões bem-definidas (Figura 1–1): 1) dendritos, 2) corpo celu-lar, 3) axônio e 4) especializações sinápticas. Cada regiãoapresenta funções distintas. Os dendritos recebem sinais deoutros neurônios, processam e modificam essa informação eentão conduzem esses sinais ao corpo celular. Como em todasas células, o corpo celular contém, em seu núcleo, a informa-ção genética que codifica para a fabricação dos elementos ne-cessários à função celular e é o local onde esses elementos sãosintetizados, processados e transportados. O axônio transmiteinformação a longas distâncias e então se ramifica para formaras sinapses. As especializações sinápticas são diferenciadas porsuas conexões altamente específicas, com dendritos pós-sináp-ticos; os elementos-chave são a zona ativa pré-sináptica, deonde o neurotransmissor é liberado, e a densidade pós-sináp-tica, onde estão concentrados os receptores para os neuro-transmissores na membrana do dendrito pós-sináptico.

A forma de um neurônio é determinada por seu citoes-queleto. Os componentes essenciais do citoesqueleto são três

proteínas filamentosas: 1) os microtúbulos, 2) a actina e 3) osneurofilamentos (Schwartz e Westbrook, 2000). Os microtú-bulos são compostos de subunidades de tubulina e formamfeixes que se estendem ao longo dos principais processos neu-

Figura 1–1 Organização funcional do neurônio. Os neurôniosapresentam regiões celulares distintas que são responsáveis pelaentrada, integração, condução e saída de informações: os dendritos,o corpo celular, o axônio e as especializações sinápticas,respectivamente. Neurotransmissores excitatórios e inibitóriosliberados por outros neurônios induzem correntes despolarizantes ouhiperpolarizantes nos dendritos. Essas correntes convergem ao corpocelular; se a polarização resultante é suficiente para fazer com que osegmento inicial do axônio atinja o limiar, um potencial de ação éiniciado. O potencial de ação percorre todo o axônio, conduzidorapidamente devido à mielinização, para atingir os terminaissinápticos. Os terminais axonais formam sinapses com outrosneurônios ou com células efetoras, reiniciando o ciclo de fluxo deinformação nas células pós-sinápticas. Como em todas as células, ocorpo celular (ou pericário) é também onde está localizada ainformação genética do neurônio (no núcleo), sendo o principal sítiode síntese de macromoléculas.

Fonte: Reeditada de Kandel ER, Schwartz JHS, Jessel TM: Principles ofNeural Science, 3ª edição. Stamford, CT, Appleton & Lange, 1991. Utilizadacom permissão.


ronais; são estabilizados por proteínas associadas aos micro-túbulos. Os microtúbulos são os principais componentes docitoesqueleto do dendrito, enquanto os neurofilamentos sãoos principais componentes do citoesqueleto axonal. Os neu-rofilamentos são muito mais estáveis do que os microtúbulos.Os neurofilamentos agregam-se patologicamente na doençade Alzheimer, formando os emaranhados neurofibrilares. Osfilamentos de actina, juntamente com várias proteínas quese ligam à actina, formam uma densa rede concentrada logoabaixo da membrana celular, a qual fornece a força motorapara a plasticidade da estrutura axônica e dendrítica. Alémde seu essencial papel estrutural, o citoesqueleto medeia otráfego intracelular de proteínas e de organelas ao axônio eaos dendritos (Burack et al., 2000). Assim, defeitos no citoes-queleto causam devastadores danos neuronais; prejuízos notransporte axonal e dendrítico não apenas interferem na si-nalização neuronal, como freqüentemente resultam em mortecelular.

Excitabilidade neuronal

Os neurônios são capazes de transmitir informação por-que são elétrica e quimicamente excitáveis. Essa excitabilidade éconferida por várias famílias de canais iônicos que são seletiva-mente permeáveis a íons específicos e regulados por voltagem(canais ativados por voltagem), por ligação com o neurotrans-missor (canais ativados por ligantes) ou por pressão ou estira-mento (canais ativados mecanicamente) (Hille, 1992). Em geral,os canais iônicos neuronais conduzem íons através da mem-brana citoplasmática de forma extremamente rápida — 100milhões de íons podem passar através de um único canal iônicoem um segundo. Esse intenso fluxo de corrente provoca rápi-das alterações no potencial de membrana e é a base para o po-tencial de ação, o mecanismo biofísico para passagem de infor-mação dentro dos neurônios, e para respostas sinápticas rápidas,o substrato para transferência de informação entre os neurôni-os. Como seria esperado, diversas doenças devastadoras resul-tam de defeitos nos canais iônicos. Por exemplo, na paralisiaperiódica hipercalêmica, a rigidez e a fraqueza muscular que seseguem ao exercício são causadas por uma mutação pontualnos canais iônicos de Na+ ativados por voltagem; a ataxia episó-dica resulta de várias mutações pontuais em um canal de K+

ativado por voltagem retificador tardio, e a miastenia grave re-sulta de um ataque imunológico aos receptores de acetilcolinanicotínicos (Koester e Siegelbaum, 2000). Canais ativados porligantes costumam ser alvo de drogas psiquiátricas e anestési-cos, bem como de neurotoxinas.

Os neurotransmissores liberados por um neurônio (a cé-lula pré-sináptica) em uma sinapse ativam receptores (canaisativados por ligantes) em dendritos de um outro neurônio (acélula pós-sináptica) e induzem o fluxo iônico através da mem-brana. Os sinais elétricos resultantes espalham-se passivamentepor certa distância, freqüentemente atingindo o corpo celulardessa maneira. Além das condutâncias passivas, mecanismosregenerativos localizados, similares àqueles que dão origem aopotencial de ação (discutido mais adiante nesta seção), ampli-ficam os sinais que entram no dendrito, potencializando-os demodo que atinjam o corpo celular (Eilers e Konnerth, 1997;Yuste e Tank, 1996). No corpo celular, esses sinais sinápticoscombinam-se e, se forem suficientes, despolarizam o segmen-to inicial do axônio, ou o hilo axonal, parte do axônio maispróxima ao corpo celular e que apresenta o menor limiar paraativação. Quando o nível do limiar de despolarização é atingi-

do, o potencial de ação é iniciado. O potencial de ação é umaonda elétrica que se propaga ao longo do axônio. Nos termi-nais axonais, essa onda desencadeia um influxo de cálcio (Ca2+),o que leva à exocitose dos neurotransmissores das vesículassinápticas em áreas especializadas, chamadas de zonas ativas.O neurotransmissor liberado atravessa a fenda sináptica e ati-va receptores na densidade pós-sináptica nos dendritos dacélula pós-sináptica. Por fim, esse fluxo de informação atingecélulas efetoras, principalmente fibras motoras que medeiamo movimento e que, portanto, geram comportamentos.

A habilidade dos neurônios de gerar um potencial de açãoderiva da presença de fortes gradientes iônicos ao longo damembrana; o sódio (Na+) e o cloreto (Cl–) são altamente con-centrados do lado de fora da membrana, enquanto o potássio(K+) é altamente concentrado do lado de dentro. Esses gradien-tes são gerados por uma ação contínua das bombas da mem-brana, as quais obtêm energia da hidrólise de adenosina trifos-fato (ATP). Também na membrana estão os canais iônicosativados por voltagem, que regulam o fluxo dos íons Na+, K+ eCa2+ através da membrana. Em repouso, os canais de K+ e Cl–estão abertos, de modo que os gradientes de K+ e Cl– determi-nam o potencial de membrana, fazendo com que a célula sejanegativa do lado de dentro, com valores que variam entre –50 e–75 mV. Entretanto, se a membrana é despolarizada, ultrapas-sando o potencial limiar para a geração de um potencial de ação,os canais de Na+ ativados por voltagem abrem-se rapidamente.Devido ao fato de que o influxo de Na+ despolariza a membra-na, isso confere uma propriedade regenerativa — uma vez queo potencial limiar é atingido, o aumento no influxo de Na+ levaà despolarização, o que abre mais canais de Na+, aumentando,por sua vez, ainda mais o influxo de Na+, e assim consecutiva-mente. Portanto, uma vez que o limiar é atingido, o potencial demembrana sobe muito rapidamente para +50 mV. O potencialde membrana permanece despolarizado apenas por um tempode cerca de um milissegundo, já que os canais de Na+ apresen-tam uma inativação dependente de tempo (Figura 1–2). Aomesmo tempo, canais de K+ dependentes de voltagem, os quaistambém são ativados pela despolarização, mas em uma veloci-dade mais baixa, aumentam sua permeabilidade (Figura 1–2).Devido ao fato de o íon K+ fluir a favor do seu gradiente deconcentração para fora da célula, juntamente com a redução nacorrente de Na+, ocorrerá a repolarização da membrana. Dessaforma, o potencial de membrana atinge seu pico a um nível dedespolarização determinado pelo gradiente de Na+ e então ra-pidamente retorna ao potencial de repouso, determinado pelogradiente de K+. Uma vez repolarizada, a inativação do Na+ ter-mina (o tempo que isso leva para acontecer indica o períodorefratário do neurônio — um breve período no qual o limiarpara disparar um potencial de ação é elevado — )e então a célu-la pode disparar novamente.

A propriedade regenerativa do potencial de ação não ape-nas serve para amplificar os potenciais limiares (sua principalfunção nos dendritos), mas também para dar capacidade desinalização a longas distâncias ao axônio (Figura 1–3). Quan-do o potencial de membrana atinge seu pico, sob o comandodo aumento da permeabilidade ao Na+, regiões adjacentes doaxônio tornam-se suficientemente despolarizadas, de maneiraque são levadas, por sua vez, ao limiar, e geram um potencialde ação. À medida que segmentos axonais sucessivos são des-polarizados, o potencial de ação é conduzido com grande ve-locidade ao longo do axônio. Isso é potencializado pela mieli-nização, que aumenta várias vezes a velocidade de condução,pois restringe o fluxo de corrente necessário para a condução

para disparar um potencial de ação é elevado — ) e então a célu-la pode disparar novamente.

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Figura 1–2 A abertura de canais iônicos dá origem ao potencialde ação. O potencial de ação é composto primariamente de duascorrentes: a de sódio (Na+) e a de potássio (K+). Uma vez que oneurônio atinge o limiar para o disparo do potencial de ação, canaisde sódio dependentes de voltagem abrem-se, dando início à rápidacorrente de entrada de Na+ e à rápida fase de aumento no potencialde ação. Em seguida, os canais de Na+, que são rapidamenteinativados em potenciais despolarizados, encurtam a duração dacorrente de Na+ e, portanto, contribuem para a fase de queda nopotencial de ação. A corrente de saída de K+ também contribui paraa fase de queda do potencial de ação, já que os canais de K+ sãolentos para abrir, mas permanecem abertos por mais tempo do queos de Na+. Abreviações: ENa e EK = potenciais reversos para Na+ e K+,respectivamente.

Fonte: Reeditada de Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM: Principles ofNeural Science, 4ª edição. New York, Mcgraw-Hill, 2000, p.158. Utilizada compermissão.

do potencial de ação aos espaços localizados entre os segmen-tos da mielina — aos nódulos de Ranvier (Figura 1–3). Devidoàs suas características de “tudo-ou-nada” e à sua habilidadeem ser conduzido por longas distâncias, o potencial de açãoconfere ao neurônio um mecanismo de sinalização digital dealta qualidade.

Embora a informação integrada por um neurônio venhada entrada sináptica, a maneira como o neurônio processaráessa informação depende de suas propriedades intrínsecas (Lli-nás, 1988). Muitos neurônios no SNC possuem a capacidadede gerar seus próprios padrões de atividade na ausência de en-trada de informação sináptica, disparando a uma taxa regular(disparo marca-passo) ou em grupamentos de picos (disparoem rajada) (McCormick e Bal, 1997). Essa atividade endógena écomandada por canais iônicos especializados, os quais apre-sentam dependência de voltagem e tempo próprios, periodica-mente levando o segmento inicial do axônio ao seu limiar. Es-ses canais podem ser modulados pelo potencial de membranada célula ou por sistemas de segundos-mensageiros. Além dis-so, neurônios do SNC podem ser alterados profundamente namaneira como respondem a um dado estímulo sináptico emfunção de pequenas alterações no potencial de repouso (Llináse Jahnsen, 1982; Sherman, 1996) (Figura 1–4). Por exemplo, umneurônio talâmico dispara como marca-passo quando estimu-lado a partir de níveis levemente despolarizados, enquanto dis-para em rajadas de pontecial de ação quando estimulado a par-tir de níveis hiperpolarizados. Alterações nos níveis de

segundos-mensageiros também podem afetar profundamentea atividade ou a propriedade de resposta dos neurônios, levan-do a um repertório ainda maior de funcionamento de neurôni-os individuais. Portanto, estímulos sinápticos podem não ape-nas evocar uma resposta em um neurônio pós-sináptico, mastambém dar forma a padrões de disparo intrínsecos, fazendocom que a célula altere de um modo de atividade a outro, oumodulando respostas a outros estímulos sinápticos.

Sinalização entre neurônios

Os neurônios comunicam-se uns com os outros em locaisespecializados de grande proximidade de aposição da membra-na chamados sinapses. O protótipo de sinapse axodendríticaconecta um terminal axônico pré-sináptico a um dendrito pós-sináptico. Esse arranjo é típico para neurônios de projeção quetransmitem informação de uma região a outra do cérebro. Emcontrapartida, interneurônios de circuitaria local interagem comneurônios vizinhos. Enquanto os interneurônios podem apre-sentar conexões axodendríticas e axossomáticas, eles tambémpodem formar vários outros tipos de contatos sinápticos queaumentam de forma significativa sua sofisticação funcional (Fi-gura 1–5). Em alguns casos, dendritos podem fazer contatossinápticos com dendritos (conexões dendrodendríticas), ou cor-pos celulares com corpos celulares (conexões somatossomáti-cas), formando circuitos neurais locais que transmitem infor-mação sem disparar o potencial de ação. Axônios podem formarsinapse em terminais axônicos de outros axônios (conexões axo-axônicas) e modular a liberação de neurotransmissores medi-ante a inibição ou a facilitação pré-sináptica. Alguns neurôniospodem funcionar como interneurônios e como neurônios deprojeção, sendo o exemplo mais importante os neurôniosGABAérgicos (ácido γ-aminobutírico, GABA) mediais espinho-sos do estriado, os quais constituem aproximadamente 95%dos neurônios dessa região (A.D. Smith e Bolam, 1990).

Uma minoria das conexões locais é mediada por sinapseselétricas, que não requerem neurotransmissores químicos. Assinapses elétricas são formadas por canais compostos de mul-tissubunidades, chamados de junções comunicantes, os quaisligam o citoplasma de células adjacentes (Bennett et al., 1991),permitindo que pequenas moléculas e íons carregando sinaiselétricos fluam diretamente de uma célula a outra. Sinapseselétricas conectam dendritos ou corpos celulares de célulasadjacentes do mesmo tipo, tipicamente dendritos a dendritosou corpos celulares a corpos celulares. A capacidade de passa-gem de pequenas moléculas entre as células, incluindo segun-dos-mensageiros, é importante durante o desenvolvimento em-brionário para estabelecer gradientes morfogênicos (Dealy etal., 1994) e durante o desenvolvimento inicial do cérebro pararegular a proliferação celular e estabelecer padrões de conecti-vidade (Kandler e Katz, 1995). No SNC maduro, sinapses elé-tricas agem para sincronizar a atividade elétrica de grupos deneurônios e mediar a transmissão de alta freqüência de sinais(Bennett, 1977; Brivanlou et al., 1998; Tamas et al., 2000). Ascélulas gliais também são conectadas por junções comunican-tes que ligam essas células, formando um grande sincício efornecendo avenidas para propagação intercelular de sinais quí-micos mediados por pequenas moléculas e por íons, tais comoo Ca2+ (S.J. Smith, 1994). A importância das junções comuni-cantes para a função das células gliais é enfatizada pelo fatode que a forma ligada ao X da doença de Charcot-Marie-Tooth é causada por uma simples mutação no gene da cone-xina necessário para a formação das junções comunicantes


Figura 1–3 Condução do potencial de ação. Painel A. Representação esquemática de um axônio mielinizado. Os oligodendrócitos produzema bainha de mielina que reveste os axônios. A mielina previne o vazamento de corrente entre os nódulos de Ranvier (local onde háconcentração de canais de Na+), aumentando, portanto, a velocidade de condução do potencial de ação. Painel B. Devido ao fato de os canaisde Na+ serem ativados pela despolarização da membrana e também induzirem despolarização, eles têm propriedades regenerativas. Isso não éresponsável apenas pelas propriedades de “tudo-ou-nada” do potencial de ação, mas também explica a rápida propagação do potencial deação ao longo do axônio. O potencial de ação é uma onda elétrica, como mostrado nesta figura. À medida que cada segmento do axônio édespolarizado, despolariza o segmento subseqüente, levando a alterações na corrente local produzida pela iniciação do potencial de ação emsítios específicos, como mostrado em detalhe no Painel C. Painel C. O fluxo de íons Na+, responsável pelo potencial de ação, é mostrado emtrês imagens sucessivas a intervalos de 0,5 milissegundos (ms) e corresponde aos traços de correntes observados no Painel B. À medida que opotencial de ação é propagado para a direita, os canais de Na+ fechados vão sendo abertos e, em seguida, inativados e fechados novamente.Dessa forma, um potencial de ação iniciado no segmento inicial do axônio é conduzido até o terminal axonal. Devido à inativação dos canais deNa+ e à ativação dos canais de K+, há um período refratário após o potencial de ação, razão pela qual a condução procede em apenas umadireção.

Fonte: Reeditada de Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D et al., (eds): Neuroscience. Sunderland, MA, Sinauer Associates, 1997, p.67. Utilizada compermissão.

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Figura 1–4 Propriedades intrínsecas determinam as respostas neuronais. Muitos neurônios do SNC respondem de formas diferentes aosmesmos estímulos, dependendo do seu nível de despolarização. Painel A. Neurônios talâmicos geram espontaneamente disparos de potencialde ação, resultantes da interação entre uma corrente marca-passo e uma corrente de Ca2+. A despolarização desses neurônios altera seudisparo para um modo tônico. Painel B. Disparos de potenciais de ação a uma maior resolução de tempo a partir do traçado do Painel A. PainelC. Maior resolução de tempo das correntes do modo tônico do painel A. Abreviações: Ih e IT = as correntes através de canais ativados pelahiperpolarização e por canais de cálcio do tipo T, respectivamente.

Fonte: Reeditada de McCormick DA: “Membrane Potential and Action Potential”, em Fundamental Neuroscience. Editado por Zigmond MJ, Bloom FE,Landis SC, et al., San Diego, CA, Academic Press, 1999, p.150. Utilizada com permissão.

entre as células de Schwann (revisado em Schenone e Man-cardi, 1999).

A maioria das conexões sinápticas no SNC é mediada porneurotransmissores químicos. Embora as sinapses químicassejam mais lentas do que as elétricas, permitem a amplificaçãodo sinal, podem ser inibitórias ou excitatórias, são suscetíveisa uma ampla faixa de modulação e podem modular as ativida-des de outras células através da liberação de transmissores queativam cascatas de segundos-mensageiros. Existem duas clas-ses principais de neurotransmissores no sistema nervoso: pe-quenas moléculas transmissoras e neuropeptídeos. Em geral,as pequenas moléculas transmissoras medeiam a transmissãosináptica rápida, são armazenadas em vesículas sinápticas pe-quenas e claras e incluem o glutamato, o GABA, a glicina, aacetilcolina, a serotonina, a dopamina, a norepinefrina, a epi-nefrina e a histamina. Os mecanismos celulares e molecularesde liberação dessas vesículas sinápticas serão descritos em se-guida. Em contrapartida, os neuropeptídeos representam umagrande família de neurotransmissores que modulam a trans-missão sináptica, são armazenados em grandes vesículas den-

sas e incluem a somatostatina, os hormônios liberadores hi-potalâmicos, as endorfinas, as encefalinas e os opióides. É in-teressante notar que as pequenas moléculas transmissoras eos neuropeptídeos são freqüentemente liberados pelo mesmoneurônio e podem agir em conjunto sobre o mesmo alvo(Hökfelt et al., 1984).

As pequenas moléculas transmissoras são armazenadasem grânulos claros e pequenos delimitados por membrana,denominados de vesículas sinápticas (Figura 1–6). Cada vesí-culas sináptica contém vários milhares de moléculas de neu-rotransmissores. Quando um potencial de ação pré-sinápticoinvade a região terminal, canais de Ca2+ dependentes de volta-gem são ativados (Figuras 1–6 e 1–7). O subseqüente influxode Ca2+ provoca um grande aumento na concentração de Ca2+

próximo à zona ativa, o que promove a fusão da vesícula si-náptica e a liberação do neurotransmissor, a qual é chamadade exocitose. O neurotransmissor então se difunde em umacurta distância pela fenda sináptica e se liga aos receptorespós-sinápticos. A dinâmica e a modulação da transmissão si-náptica são fundamentais para alterações nas conexões sináp-


Figura 1–5 Modos de intercomunicação neuronal. Painel A.Diferentes padrões de conexão ditam como a informação flui entreos neurônios. Na divergência sináptica, um neurônio (a) podedisseminar informação a várias células pós-sinápticas (b-f) ao mesmotempo. Alternativamente, no caso da convergência sináptica, umúnico neurônio (d) pode receber estímulos de vários neurônios pré-sinápticos (a-c). Na inibição pré-sináptica, um neurônio (b) podemodular o fluxo de informação entre dois outros neurônios (de apara c) por influenciar a liberação de neurotransmissores pelosterminais do neurônio pré-sináptico, de maneira inibitória (comomostrado) ou facilitatória. Painel B. Os neurônios podem modularsuas próprias ações. Em uma inibição por pró-alimentação, a célulapré-sináptica (a) pode ativar diretamente a célula pós-sináptica (b) e,ao mesmo tempo, modular seus efeitos através da ativação de umacélula inibitória (c), a qual, por sua vez, inibe a célula b. Na inibiçãorecorrente (a informação flui de acordo com a indicação das setas),uma célula pré-sináptica (a) ativa uma célula inibitória (b), que fazum contato sináptico de volta com a mesma célula, limitando aduração de sua atividade. Abreviações: pa = potencial de ação; il =inibição lateral; ir = inibição recorrente.

Fonte: Adaptada de Shepherd GM, Koch C: “Introduction to SynapticCircuits”, em The Synaptic Organization of the Brain. Editado por ShepherdGM. New York, Oxford University Press, 1990, p.3-31. Utilizada compermissão.

ticas responsáveis pelo aprendizado e pela memória tanto emsituações normais quanto patológicas. A maquinaria molecu-lar (Figura 1–8) da transmissão sináptica está agora sendo com-preendida (Scheller, 1995; Sudhof, 1995). É interessante notarque várias neurotoxinas potentes agem diretamente nessamaquinaria (ver a seguir). A transmissão sináptica compreen-de uma seqüência complexa de eventos pré e pós-sinápticos.Seis eventos principais estão envolvidos no ciclo da vesículasináptica (Figura 1–7):

1. As vesículas ficam ancoradas em zonas ativas antes de sualiberação por exocitose.

2. Ocorre a preparação ou priming quando as vesículas fi-cam prontas para responder ao aumento do Ca2+ intrace-

lular (as potentes neurotoxinas botulínica e tetânica blo-queiam a transmissão sináptica ao causar proteólise demoléculas-chave envolvidas na preparação).

3. Desencadeada pelo influxo de Ca+2, ocorre então a fusão/exocitose em menos de 1 milissegundo, liberando o neu-rotransmissor na fenda sináptica.

4. O processo de endocitose recupera a membrana das vesí-culas sinápticas.

5. As vesículas sinápticas são novamente preenchidas comneurotransmissor, um processo direcionado por um gra-diente ácido intravesicular ou por um gradiente de volta-gem.

6. As vesículas sinápticas preenchidas são transportadas devolta à zona ativa, completando o ciclo.

A duração da atividade do neurotransmissor em geral élimitada por vários mecanismos que rapidamente removem oneurotransmissor liberado da fenda sináptica. Em primeiro

Figura 1–6 Micrografias eletrônicas de sinapses químicas. Junçõesneuromusculares do músculo sartório de rã foram rapidamentecongeladas milissegundos após tratamento com potássio paraaumentar a transmissão sináptica. Painel A. As vesículas sinápticasestão agrupadas em duas zonas ativas (setas), as quais são os sítiosonde as vesículas podem fundir-se com a membrana plasmática eliberar o neurotransmissor. Painel B. Após a estimulação, padrõesômega de vesículas em processo de liberação do neurotransmissorsão visíveis.

Fonte: Reeditada de Zucker RS, Kullmann DM, Bennett M: “Release ofNeurotransmitters” em Fundamental Neuroscience. Editado por Zigmond MJ,Bloom FE, Landis SC et al., San Diego, CA, Academic Press, 1999, p.156.Utilizada com permissão.

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Figura 1–7 Passos na transmissão sináptica em uma sinapse química. Os passos essenciais na transmissão sináptica estão numerados.Fonte: Reeditada de Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D et al. (eds): Neuroscience. Sunderland, MA, Sinauer Associates, 1997, p.88. Utilizada com

permissão.

lugar, em alguma proporção, todos os neurotransmissores sedifundem para fora da fenda. Em segundo, os neurotransmis-sores podem ser enzimaticamente degradados; por exemplo, aacetilcolina é hidrolisada pela acetilcolinesterase, a qual en-contra-se ligada à membrana pós-sináptica adjacente aos re-ceptores. E, em terceiro, embora as monoaminas e os aminoá-cidos neurotransmissores sejam também sujeitos à degradaçãoenzimática, são principalmente removidos da fenda sinápticapor um mecanismo de recaptação rápida e, subseqüentemen-

te, reempacotados em vesículas sinápticas ou metabolizados(Amara e Kuhar, 1993).

Os transportadores de neurotransmissores monoaminér-gicos (Figura 1–9), os quais medeiam esse rápido processo derecaptação, são sítios de ação de um grande número de drogase neurotoxinas. Entre eles, podemos destacar os antidepressi-vos tricíclicos, os inibidores seletivos da recaptação de serotoni-na (ISRSs), os psicoestimulantes e a neurotoxina 1-metil-4-fe-nil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP) (Giros e Caron, 1993;


Figura 1–8 Eventos moleculares na ancoragem e fusão das vesículas sinápticas. Um conjunto coordenado de proteínas está envolvido noposicionamento das vesículas na membrana pré-sináptica e no controle da liberação pela fusão com a membrana. Painel A. Muitas dasproteínas das vesículas sinápticas que foram recentemente clonadas integram esse processo. Algumas dessas proteínas interagem com ocitoesqueleto para posicionar as vesículas no terminal, enquanto outras são proteínas integrais ao processo de fusão. Além disso, várias dessasproteínas das vesículas sinápticas são alvos para neurotoxinas que funcionam influenciando a liberação de neurotransmissores. Painel B. Ateoria atual de como as vesículas sinápticas fundem-se com a membrana e liberam neurotransmissores é chamada de hipótese SNARE. Tanto asvesículas sinápticas quanto a membrana plasmática expressam proteínas específicas que medeiam a ancoragem e a fusão: v-SNAREs (vesículassinápticas) e t-SNAREs (membrana plasmática). As vesículas são trazidas para próximo da membrana por meio de interações entre a VAMP(sinaptobrevina), a sintaxina e a SNAP-25. A proteína de fusão sensível à N-etilmaleimida (FSN) liga-se ao complexo, facilitando a fusão. Oinfluxo de cálcio é necessário para estimular a fusão, mas o sítio preciso de ligação para o cálcio e os eventos exatos que levam à fusãopermanecem indefinidos. Painel C. A estrutura cristalizada do complexo de fusão, mostrada aqui, é consistente com a hipótese SNARE.Abreviações: BoNT = toxina botulínica; TeNT = toxina tetânica.

Fonte: Adaptada de Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM: Principles of Neural Science, 4ª edição. New York, Mcgraw-Hill, 2000, p.271-273. Utilizada compermissão.

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Jaber et al., 1997). Os tricíclicos bloqueiam a recaptação de se-rotonina e noradrenalina, enquanto os ISRSs, como seu nomesugere, bloqueiam seletivamente a recaptação de serotonina.Outros antidepressivos mais novos bloqueiam o mecanismo deinibição por retroalimentação da liberação, aumentando, assim,os níveis sinápticos de serotonina. A cocaína previne a recapta-ção de dopamina e serotonina, enquanto a anfetamina retarda arecaptação de dopamina e serotonina, além de também induzira liberação de dopamina (Ramamoorthy e Blakely, 1999; Saun-ders et al., 2000). Estudos moleculares também têm sugeridoque a ligação da cocaína e a recaptação da dopamina ocorremem sítios distintos do transportador, indicando a possibilidadede que a ação da cocaína poderia ser bloqueada com sucesso,sem impedir o processo de recaptação normal (Kitayama et al.,1992). Camundongos modificados geneticamente nos quais otransportador de dopamina está ausente apresentam uma im-portante persistência da dopamina sináptica, como se estivessempermanentemente sob o efeito de psicoestimulantes; os psico-estimulantes não têm efeito sobre esses animais, confirmandoque o transportador de dopamina é essencial para a ação dessasdrogas (Giros et al., 1996). O MPTP é captado seletivamentepelo transportador de dopamina (Javitch e Snyder, 1984) e en-tão provoca um aumento no estresse oxidativo, levando à mor-te dos neurônios dopaminérgicos e à doença de Parkinson in-duzida pela droga (Przedborski e Jackson-Lewis, 1998).

Respostas pós-sinápticas rápidas

A ação de um neurotransmissor depende das proprieda-des dos receptores pós-sinápticos ao qual ele se liga. Os re-ceptores pós-sinápticos ativados por neurotransmissores di-videm-se em duas classes: receptores ionotrópicos emetabotrópicos (discutidos na seção a seguir). Os receptoresionotrópicos são diretamente acoplados a um canal iônico;esses receptores sofrem uma mudança conformacional queabre o canal quando há a ligação do neurotransmissor. Issoresulta em despolarização, dando origem a um potencial exci-tatório pós-sináptico, ou em hiperpolarização, dando origem aum potencial inibitório pós-sináptico. A junção neuromuscu-lar é o protótipo de uma sinapse excitatória; a ligação simultâ-nea de duas moléculas de acetilcolina abre um canal no recep-tor que é permeável a Na+ e a K+ (Karlin e Akabas, 1995). Issoresulta em uma forte despolarização da membrana pós-sináp-tica mediada pelo influxo de Na+ (e modulada pelo efluxo deK+), levando a um potencial de ação que evoca a contração nafibra motora. Canais ativados por ligantes são encontrados emsinapses, tais como a junção neuromuscular, onde a ativaçãorápida e confiável da célula pós-sináptica é necessária. Na jun-ção neuromuscular, a resposta pós-sináptica é suficientemen-te forte, de maneira que existe uma tradução de um-para-umdas variações de voltagem do neurônio motor para as varia-ções de voltagem da fibra muscular, assegurando, portanto,uma contração muscular confiável.

Diferentemente da junção neuromuscular, os neurôniosdo SNC funcionam em redes dinâmicas, nas quais geralmentenenhuma célula individual possui uma conexão sináptica tãoforte com outra célula, de forma que possa atingir sozinha oseu limiar. Em vez disso, grupos de neurônios — ativados emconjunto — convergem em um neurônio pós-sináptico paragerar múltiplos potenciais pós-sinápticos. Esses potenciais po-dem somar-se em regiões do neurônio pós-sináptico (soma-ção espacial), caso ocorram suficientemente próximos, a tem-po de provocar o disparo do neurônio pós-sináptico. Como

regra, canais rápidos ativados por ligante medeiam o fluxo deinformação, representando padrões de informação sensoriale associações entre modalidades sensoriais, responsáveis porrepresentações centrais que, em última análise, darão origema respostas motoras. No SNC, receptores glutamatérgicos me-deiam a maioria das transmissões excitatórias rápidas; o GABAe a glicina são os neurotransmissores inibitórios mais co-muns.

Receptores glutamatérgicos

Os receptores glutamatérgicos são divididos em três tiposgerais: receptores N-metil-D-aspartato (NMDA), receptoresionotrópicos não-NMDA, e receptores glutamatérgicos me-tabotrópicos (Dingledine et al., 1999; Hollmann e Heinemann,1994). Os receptores glutamatérgicos são todos proteínasmultiméricas, em geral compostas de quatro subunidades. Osreceptores NMDA são formados de combinações das subuni-dades NR1 e NR2; a subunidade NR1 é universalmente ex-pressa em neurônios, enquanto a subunidade NR2, a qual podeser de vários subtipos, é expressa heterogeneamente durante odesenvolvimento e também entre os diferentes tipos de neu-rônios, dando origem a diferentes propriedades de resposta(Schoepfer et al., 1994). Os receptores NMDA despolarizam acélula pela abertura de canais que permitem principalmente aentrada de Ca2+ na célula (MacDermott et al., 1996). A propri-edade mais fascinante dos receptores NMDA é que seu canaliônico costuma estar bloqueado pelo íon Mg2+ em potenciaisde membrana mais negativos do que –40 mV (Mayer et al.,1994). Como resultado, no potencial de repouso da maioriados neurônios, o canal do receptor NMDA encontra-se obs-truído. Para a corrente fluir pelos canais NMDA, o glutamatodeve ligar-se ao receptor e a membrana deve ser despolarizadasimultaneamente para deslocar o Mg2+. Esse duplo requeri-mento representa o papel único dos receptores NMDA emprocessos tão variados como a sinaptogênese, o aprendizado ea memória e até mesmo a morte celular. É provável que osreceptores NMDA sejam essenciais para o desempenho ade-quado de funções psiquiátricas; camundongos transgênicoscom a expressão reduzida dos receptores NMDA apresentamcomportamentos similares àqueles vistos em pacientes comesquizofrenia (Mohn et al., 1999).

Os receptores glutamatérgicos não-NMDA são dividi-dos em: receptores ácido α-amino-3-hidróxi-5-metilisoxa-zol-4-propiônico (AMPA) e receptores kainato, com base emsuas afinidades por esses análogos glutamatérgicos. Os re-ceptores AMPA são formados a partir de combinações desubunidades GluR1 a GluR4, e os receptores kainato, porcombinações de subunidades GluR5 a GluR7, além das su-bunidades KA1 e KA2. A complexidade dos tipos dos possí-veis receptores glutamatérgicos aumenta ainda mais pela exis-tência de conformações flip e flop das subunidades de GluR1a GluR4 e das modificações pós-transducionais do RNAmdo receptor glutamatérgico (Puchalski et al., 1994; Seeburg,1996; Sommer et al., 1990). Receptores não-NMDA geral-mente estão acoplados a canais iônicos que permitem a en-trada de Na+ e não de Ca2+ através da membrana. A subuni-dade GluR2 do canal iônico do receptor AMPA é responsávelpelo bloqueio da passagem de Ca+2. Recentemente, foramidentificados neurônios que expressam receptores AMPA, nosquais a subunidade GluR2 está ausente, permitindo, dessa for-ma, a passagem do Ca+2, bem como do Na+, pelo canal (Geigeret al., 1995). Neurônios que expressam tais receptores AMPA


Figura 1–9 Transportadores de neurotransmissores. A transmissão sináptica no SNC é terminada, na maioria dos casos, mediante arecaptação dos neurotransmissores por transportadores específicos, os quais apresentam constituições moleculares comuns. Essestransportadores carreiam neurotransmissores através da membrana contra seus gradientes de concentração e, portanto, necessitam de energiametabólica. Freqüentemente, essa energia é fornecida pelo co-transporte de um íon a favor do seu gradiente de concentração. Painel A. Umafamília de transportadores localizados nas vesículas sinápticas tem a função de preencher a vesícula sináptica com neurotransmissores ouprecursores de neurotransmissores. Painel B. Uma segunda família de transportadores localizados na membrana plasmática com oito domíniostransmembrana é responsável pelo transporte de neurotransmissores aminoácidos, tais como o glutamato e o GABA. Painel C. Uma terceirafamília de transportadores localizados na membrana plasmática com 12 domínios transmembrana é responsável pelo transporte dasmonoaminas dopamina, norepinefrina e serotonina.

Fonte: Reeditada de Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM: Principles of Neural Science, 4ª edição. New York, Mcgraw-Hill, 2000, p.287. Utilizada compermissão.

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permeáveis ao Ca2+ podem ser particularmente vulneráveis àmorte celular por excitoxicidade em certos estados patológi-cos.

Receptores GABAérgicos

Potenciais inibitórios pós-sinápticos no cérebro são me-diados principalmente por receptores GABAérgicos. Váriasclasses de receptores GABAérgicos foram identificadas. Re-ceptores do tipo GABAA são ionotrópicos e formam canaisseletivos ao Cl– que medeiam a inibição sináptica rápida nocérebro. Receptores do tipo GABAB são metabotrópicos, ten-dem a ser de ação mais lenta e desempenham um papel mo-dulatório; costumam ser encontrados em terminais pré-sináp-ticos, onde inibem a liberação de transmissores. Os receptoresGABAA são membros da superfamília do receptor nicotínicoda acetilcolina (DeLorey e Olsen, 1992; Schofield et al., 1990).O complexo receptor-canal GABAA é composto de uma mis-tura de cinco subunidades das famílias α, β, γ e ρ. Isso dá ori-gem a receptores com propriedades variadas, dependendo dacomposição específica de subunidades do receptor. Já que amaioria das famílias de subunidades apresenta múltiplos sub-tipos, alguns dos quais podem sofrer fusão no RNA, existe umpotencial para uma extraordinária diversidade na função doreceptor GABAA.

As seqüências de RNAm para subunidades múltiplas ouindividuais dos receptores podem ser injetadas em oócitosou em células de mamíferos sob cultura, e as propriedadesdas combinações de subunidades do receptor expressas sub-seqüentemente podem ser definidas. Essa técnica tem de-monstrado como as propriedades de um receptor GABAAparticular depende da composição de subunidades, bem comodas interações entre estas. Mutações direcionadas a sítiosespecíficos têm sido aplicadas no sentido de localizar os sí-tios de ligação de ligantes específicos nas subunidades doreceptor. A subunidade α, por exemplo, possui um sítio deligação para benzodiazepínicos (Pritchett et al., 1989). As açõesclínicas dos benzodiazepínicos, como também de outras duasclasses de drogas depressoras do SNC, os barbitúricos e osesteróides anestésicos, parecem estar relacionadas com suahabilidade de ligarem-se aos receptores GABAA, aumentan-do o fluxo de íons através do receptor (Callachan et al., 1987;Choi et al., 1981; MacDonald e Barker, 1978; Majewska etal., 1986). Os canais individuais GABAA não permanecemcontinuamente abertos na presença de GABA; em vez disso,abrem-se e fecham-se. Os benzodiazepínicos aumentam acorrente GABAérgica por aumentarem a freqüência das aber-turas do canal, sem alterar o tempo de abertura ou a condu-tância (Study e Barker, 1981). Os barbitúricos prolongam otempo de abertura do canal sem alterar a freqüência de aber-turas ou a condutância (MacDonald et al., 1989; Mathers eBaker, 1981). Os esteróides, tais como a androsterona e a preg-nenolona, aumentam o tempo e a freqüência das aberturas(Twyman e MacDonald, 1992). Independentemente dos di-ferentes mecanismos de ação, cada uma dessas drogas au-menta a transmissão GABAérgica, a qual é responsável pelaspropriedades anticonvulsivantes compartilhadas pelas três.Na verdade, eles podem diretamente contrabalançar uma de-ficiência de GABA originada pela redução no número detransportadores de GABA no córtex epileptogênico, o quepode ser a etiologia da epilepsia (During et al., 1995). Maisrecentemente, foi demonstrado que anestésicos gerais, bemcomo o álcool, agem através da ligação ao receptor GABAA (e

também aos receptores da glicina) (Mascia et al., 2000; Mihicet al., 1997).

Receptores metabotrópicos

Efeitos modulatórios a longo prazo geralmente são me-diados por receptores metabotrópicos. Esses receptores não-conectados a canais regulam a função celular através da ati-vação de proteínas G, que se conectam a cascatas desegundos-mensageiros. Embora existam outros receptoresnão-conectados a canais que também são catalíticos, no SNCapenas os receptores conectados à proteína G são encontra-dos. Na verdade, a maioria dos neurotransmissores e neuro-moduladores exercem seus efeitos através da ligação a recep-tores conectados à proteína G. Estes receptores G são assimchamados porque são ligados intracelularmente a proteínasregulatórias ligantes de guanosina trifosfato (GTP). As proteí-nas G são formadas por um complexo de três proteínas liga-das à membrana (Gαβγ); quando o receptor é ativado, a subuni-dade α (Gα) liga-se à GTP e dissocia-se do complexo desubunidades β e γ (Gβγ). Tanto Gα quanto Gβγ podem desenca-dear eventos subseqüentes. As proteínas G ativadas apresen-tam um tempo de vida que vai de segundos a minutos; a Gα éauto-inativada pela hidrólise da GTP ligada, após o que é rea-gregada com Gβγ, retornando ao estado de repouso. A conti-nuação da ligação do neurotransmissor ao receptor pode rei-niciar o ciclo.

As proteínas G são a primeira conexão nas cascatas sina-lizadoras que podem ativar diretamente proteínas quinases —enzimas que fosforilam proteínas celulares (Walaas e Green-gard, 1991) — ou aumentar o Ca2+ intracelular, ativando indi-retamente as quinases (Figura 1–10) (Ghosh e Greenberg,1995). As proteínas sofrem alterações conformacionais quan-do são fosforiladas, o que pode levar a sua ativação ou inativa-ção. As proteínas afetadas podem incluir canais da membrana,elementos do citoesqueleto e reguladores de transcrição daexpressão gênica. Dessa forma, as ações modulatórias media-das por segundos-mensageiros controlam a maioria dos pro-cessos celulares. O potencial para amplificação, combinado coma divergência e a convergência de sinais, fornece o mecanismobásico para alterações duradouras na função neuronal, espe-cialmente para mecanismos essenciais ao aprendizado e à me-mória e ao desenvolvimento. As três principais cascatas de se-gundos-mensageiros envolvendo proteínas G e suas interaçõescom Ca2+ estão esquematizadas na Figura 1–10.

Uma vez que esses receptores da proteína G são alvospara muitas drogas terapêuticas ou drogas de abuso, o enten-dimento de suas regulações é de extrema importância clínica.Recentemente, avanços importantes têm sido feitos no senti-do de definir os mecanismos que medeiam a sub-regulação dereceptores conectados a proteínas G (Tsao e Von Zastrow,2000). A sub-regulação de receptores é geralmente induzidapor sua ativação prolongada, levando à internalização dos mes-mos. Por exemplo, a ativação prolongada de receptores dopa-minérgicos do tipo D1 em neurônios estriatais pela injeção deagonistas in vivo causa a rápida internalização deles (Dumartinet al., 1998). A internalização desses receptores é mediada pormecanismos altamente específicos, tanto dependentes quantoindependentes da dinamina (Vickery e Zastrow, 1999). A de-terminação dos mecanismos que acarretam a sub-regulaçãode receptores da proteína G pode identificar alvos para o de-senvolvimento de novas classes de drogas úteis para a mani-pulação terapêutica da sinalização de tais receptores. Por exem-


Figura 1–10 Principais vias de sinalização intracelular em neurônios. A união de ligantes com seus receptores ativa três vias sinalizadorasprincipais através de proteínas G. Painel A. No sistema adenosina monofosfato cíclico (AMPc), uma proteína G medeia o acoplamento de umligante à ativação da adenil ciclase. Isso, por sua vez, irá gerar AMPc, que se liga nas unidades regulatórias (R) da proteína quinase dependentede AMPc (PKAc), liberando as subunidades catalíticas (C). Essas, por sua vez, ativarão os elementos responsáveis das proteínas de ligação doAMPc (CRB), que se ligam aos elementos responsivos do AMPc (CRE) e regulam a expressão gênica depois de terem sido fosforiladas (P). PainelB. No sistema do fosfolipídeo inositol, a proteína G ativa a fosfolipase C (PLC), que hidrolisa os fosfolipídeos de membrana para produzir doissegundos-mensageiros: o diacilglicerol (DAG) e o inositol trifosfato (IP3). O IP3 desencadeia a liberação de Ca2+ pelo retículo endoplasmático(RE). O Ca2+, por sua vez, faz a translocação da proteína quinase C (PKC) para a membrana celular, onde ela é ativada pelo DAG. Por seconectar à membrana com a ativação, a PKC pode ser especialmente importante na modulação dos canais de membrana. Também é mostradaoutra ação do Ca2+: a ativação da proteína quinase dependente de Ca2+/calmodulina, que, quando ativada, fosforila outros conjuntos deproteínas. O Ca2+ liberado dos estoques intracelulares pode agir de forma semelhante ao Ca2+, que entra a partir do lado de fora da célula(não-mostrado); entretanto, devido ao fato de as células regularem os níveis de Ca2+ de forma muito estrita, os aumentos na concentração deCa2+ costumam ser muito localizados. Painel C. No sistema do ácido araquidônico, as proteínas G podem acoplar-se à fosfolipase A2 (PLA2),formando ácido araquidônico pela hidrólise de fosfolipídeos de membrana. O ácido araquidônico funciona como um segundo-mensageiropropriamente dito ou como um precursor da via da lipoxigenase, originando uma família de segundos-mensageiros permeáveis à membrana. Avia da ciclooxigenase é importante principalmente fora do cérebro, na produção de prostaglandinas. Abreviações: ATP = adenosina trifosfato;HPETE = Ácido Hidro-peróxi-eicosa-tetraenóico; PI = Fosfatidil-inositol.

Fonte: Painel A. Reeditado de Lodish H, Berck A, Zipursky L, et al.,: Molecular Cell Biology, 3ª Edição. New York, Scientific American Books, 1995; Painéis Be C adaptados de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM: Principles of Neural Science, 4ª Edição. New York, McGraw-Hill, 2000. Utilizada com permissão.

plo, camundongos mutantes nos quais a proteína β-arrestina2 está ausente não desenvolvem tolerância a opióides (Bohn etal., 1999).

As ações mais lentas dos receptores metabotrópicos sãoresponsáveis pela alteração na excitabilidade neuronal e pelofortalecimento das conexões sinápticas, freqüentemente refor-

çando vias neurais envolvidas no aprendizado (Bailey et al.,2000). A ativação desses receptores em geral não altera o po-tencial de membrana. Em vez disso, a ligação ao receptor ativacascatas de segundos-mensageiros que podem alterar de for-ma considerável as propriedades de resposta de outros recep-tores. Na retina, por exemplo, a dopamina parece mediar a

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adaptação à luz (Djamgoz e Wagner, 1992; Doeling, 1987). Adopamina liberada pelas células interplexiformes age nas cé-lulas horizontais via receptores dopaminérgicos do tipo D1 osquais, por sua vez, ativam a adenil ciclase, aumentando os ní-veis de adenosina monofosfato cíclico (AMPc). Essa AMPc temdois efeitos: 1) aumenta a sensibilidade das células horizontaisa informações provenientes dos cones e 2) diminui o acopla-mento elétrico entre as células horizontais, reduzindo o tama-nho do campo receptivo e aumentando, portanto, a acuidade.Esses dois efeitos alternam a retina de escotópica para visãoem cores fotópica. No SNC, várias ações modulatórias têmsido atribuídas a projeções dopaminérgicas. Em um nível maisprofundo, os segundos-mensageiros podem ser translocadosao núcleo, onde conseguem controlar a expressão gênica, exer-cendo alterações mais prolongadas na função celular (Lodishet al., 1995) através da ativação de genes em uma seqüênciatemporal (Charney et al., 1999).

Organização dos receptores pós-sinápticos nassinapses

A maioria dos receptores para os neurotransmissores estáagrupada em sítios pós-sinápticos localizados próximos ao ter-minal pré-sináptico. Recentemente, vários laboratórios têmrealizado importantes progressos na identificação dos com-ponentes moleculares da estrutura pós-sináptica que mantêmos receptores sinápticos em seu lugar (Figura 1–11) (S. H. Leee Sheng, 2000; Kim e Huganir, 1999). Uma das proteínas mais

abundantes na densidade pós-sináptica é a PSD-95 (proteínada densidade pós-sináptica de 95 kd). A PSD-95 é uma prote-ína citoplasmática que contém três domínios importantes paraa ligação de proteínas, chamados de domínios PDZ. Esses do-mínios da PSD-95 ligam-se ao receptor NMDA, ao canal deK+ Shaker e às proteínas de adesão celular denominadas neu-roliguinas. Em contrapartida, os receptores AMPA ligam-se aum domínio PDZ distinto, chamado GRIP, e os receptores glu-tamatérgicos metabotrópicos interagem com o HOMER. Acre-dita-se que essas proteínas PDZ sejam importantes para agru-par os receptores de neurotransmissores e outros componentesimportantes das sinapses na densidade pós-sináptica e paramediar a rápida inserção ou remoção dos receptores da sinap-se, como pode ocorrer durante a plasticidade sináptica (Kim eHuganir, 1999).

Gases como moduladores transcelulares

Surpreendentemente, foi demonstrado que o óxido nítri-co (NO), um gás, medeia sinalização interneuronal, funcio-nando como um segundo-mensageiro com propriedades deneurotransmissor (Brenman e Bredt, 1997; Dawson e Snyder,1994; Schulman, 1997). O NO apresenta uma vida extrema-mente curta e é sintetizado de forma muito rápida quandonecessário, a partir da arginina, pela enzima óxido nítrico sin-tase (NOS). A NOS é ativada pelo aumento na concentraçãode Ca2+ intracelular. Diferentemente dos mensageiros intra-celulares convencionais, que são localizados na célula pós-si-

Figura 1–11 Alguns dos componentes moleculares de uma sinapse glutamatérgica típica no SNC. Subunidades de receptores do tipo ácidoα-amino-3-hidróxi-5-metilisoxazol-4-propiônico (AMPA) são associadas ao GRIP através de interações no domínio PDZ, e as subunidades dosreceptores N-metil-D-aspartato (NMDA) são ligadas à PSD-95. GRIP e PSD-95 também interagem com o citoesqueleto, fornecendo umasustentação protéica para os receptores glutamatérgicos na densidade pós-sináptica. Essa sustentação pode regular a dinâmica de inserção ouremoção, na dependência da atividade, de receptores glutamatérgicos nas sinapses do SNC. Abreviações: GIESVKI = os aminoácidos críticospara ligação de GR2 a PDZ4 e PDZ5; nNOS = óxido nítrico sintase neuronal.

Fonte: O’Brien RJ; Lau L-F; Huganir RL: “Molecular Mechanisms of Glutamate Receptor Clustering at Excitatory Synapses.” Current Opinion in Neurobiology8: 364-369, 1998. Utilizada com permissão.


náptica, onde produzem seus efeitos, o NO difunde-se atravésda membrana a células adjacentes pré ou pós-sinápticas e ati-va a guanilil ciclase, aumentando os níveis de guanosina 3’,5’-monofosfato cíclico (GMPc), que, por sua vez, desencadeia aprodução de outros mensageiros intracelulares. O NO, bemcomo o monóxido de carbono (CO) e o ácido araquidônico,os quais apresentam papéis similares, podem coordenar alte-rações pré e pós-sinápticas na plasticidade sináptica (O’Dellet al., 1994). A excitoxicidade provocada pela ativação excessi-va dos receptores glutamatérgicos do tipo NMDA parece sermediada, em parte, pelo NO (Dawson et al., 1993).

Modulação sináptica no aprendizado e namemória

Segundos-mensageiros aumentam muito a gama de res-postas que um neurônio pode apresentar a um estímulo si-náptico. Eles ativam quinases que podem amplificar e prolon-gar sinais mediante a fosforilação de outras proteínas. Asproteínas fosforiladas permanecem ativas — freqüentementepor um período muito mais longo do que um agonista perma-nece ligado ao receptor — até que sejam defosforiladas porproteínas fosfatases. Já que os segundos-mensageiros desen-cadeiam grande número de funções celulares, a ativação deum único receptor pode ativar uma resposta celular coorde-nada envolvendo vários sistemas. Isso pode incluir a modula-ção da transcrição genômica dependente da atividade, levandoa alterações duradouras na função celular. O aprendizado e amemória requerem alterações a curto e a longo prazo em si-napses individuais entre neurônios.

Aprendizado simples em Aplysia

Investigações utilizando o molusco marinho Aplysia cali-fornica têm sido fundamentais para o entendimento atual dosmecanismos celulares do aprendizado e da memória. O Prê-mio Nobel em Fisiologia e Medicina do ano de 2000 foi dadoa Eric Kandel por esse trabalho. As alterações no comporta-mento da Aplysia podem ser relacionadas a alterações em co-nexões sinápticas individuais, uma vez que seu sistema nervo-so é composto de relativamente poucos neurônios que podemser identificados de animal para animal (Kandel e Hawkins,1992). A Aplysia exibe um comportamento defensivo simples— o reflexo de retirada do sifão — o qual mostra várias formaselementares de aprendizado. A estimulação leve na pele do si-fão que recobre as brânquias leva a seu reflexo de retirada. Seum choque é aplicado em sua cauda, o reflexo mostra sensibi-lização: a estimulação subseqüente do sifão elicia um reflexomais intenso. Se a estimulação do sifão é emparelhada com ochoque na cauda, o animal desenvolve um aprendizado asso-ciativo manifestado por um aumento na resposta reflexa a umaleve estimulação do sifão. A Aplysia aprende que uma leve es-timulação no sifão prediz um choque em sua cauda.

Estímulos sensibilizantes na cauda ativam neurônios se-rotonérgicos facilitadores que fazem sinapse com terminais deneurônios sensoriais. A serotonina liberada produz facilitaçãopré-sináptica pela ativação da adenil ciclase via ligação com aproteína G; a AMPc liga-se às subunidades regulatórias daproteína quinase dependente de AMPc, liberando suas subu-nidades catalíticas, as quais fosforilam uma classe de canais deK+ dependentes de voltagem (canais S-K+), inativando-os.Devido ao fato de que uma menor corrente de K+ é evocada, amembrana permanece despolarizada por um pouco mais de

tempo com dado potencial de ação, há maior influxo de Ca2+

e, portanto, mais transmissor é liberado. O aprendizado asso-ciativo parece ser devido à ativação de um neurônio facilitadorlogo após a ativação do neurônio sensorial. O influxo de Ca2+

desencadeado pela alteração de voltagem no terminal do neu-rônio sensorial e os sistemas de segundos-mensageiros ativa-dos pela serotonina, quando ativados ao mesmo tempo, pro-duzem um aumento na atividade da quinase C (Braha et al.,1990). Isso é chamado de aumento da facilitação pré-sinápticadependente da atividade e fornece a detecção de coincidênciasinerentes ao aprendizado associativo (Figura 1–12). Em todasessas formas de aprendizado associativo, os mecanismos en-volvem modificação covalente de proteínas preexistentes, prin-cipalmente por fosforilação.

Em contrapartida, a memória de longa duração requeralterações na transcrição gênica. Os mesmos mecanismos quemedeiam a sensibilização de curta duração também iniciam aformação da memória de longa duração. Na sensibilização delonga duração, assim como na de curta duração, a memória écodificada por um fortalecimento das sinapses sensório-mo-toras. Ocorre um aumento na liberação de transmissores, ecanais S-K+ são fechados, levando a um aumento do influxode Ca2+. A serotonina e a AMPc são o primeiro e o segundomensageiros, e um conjunto característico de proteínas é fos-forilado (Sweatt and Kandel, 1989). Para a memória de longaduração, no entanto, existe uma necessidade absoluta de trans-crição gênica e de síntese de novas proteínas. A AMPc afeta atranscrição gênica por ligar-se à proteína de ligação do ele-mento responsivo da AMPc (CREB), a qual então se liga asítios regulatórios no DNA conhecidos como elemento res-ponsivo da AMPc. Dessa forma, a injeção de CREB exógenobloqueia a sensibilização de longa duração, mas não a de curta(Dash et al., 1990). O CREB, por sua vez, induz a transcriçãode ubiquitina, a qual leva à clivagem da subunidade regulató-ria da proteína quinase dependente de AMPc, prolongando aativação da quinase (Hedge et al., 1993). Finalmente, as altera-ções desencadeadas por estimulações repetidas na cauda, aativação de interneurônios facilitatórios, a aplicação de sero-tonina ou a injeção de AMPc resultam em alterações estrutu-rais específicas (Glanzman et al., 1990), envolvendo o cresci-mento de novos processos e aumentando o número e otamanho das sinapses. Essas alterações morfológicas são me-diadas, em parte, por moléculas de adesão celular similaresàquelas que desempenham papel crucial na formação do sis-tema nervoso (Bailey et al., 1992). Portanto, alterações de cur-ta duração na força sináptica transformam-se em alteraçõesestruturais duradouras, orquestradas por interações entre sis-temas de segundos-mensageiros, que, por sua vez, induzem atranscrição gênica.

Potenciação de longa duração no SNC de mamíferos

No SNC de mamíferos, um aumento similar na força si-náptica ocorre no hipocampo quando certas sinapses são esti-muladas brevemente a uma alta freqüência; esse aumento durade dias a semanas no animal intacto (Bliss e Lomo, 1973). Jáque essa potenciação de longa duração (LTP) ocorre em regiõescerebrais essenciais para a codificação da memória — o hipo-campo e o córtex cerebral — acredita-se que a LTP seja umprocesso sináptico crucial para a formação da memória. Ostrês principais circuitos sinápticos do hipocampo apresentamLTP, cada um com mecanismos distintos, embora similares.Nas sinapses mais estudadas, que ocorrem entre neurônios da

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Figura 1–12 Os detectores de coincidência molecular. Painel A. Noreflexo de retirada do sifão da Aplysia, o toque no sifão, que leva aoinfluxo de Ca2+, e o choque na cauda, que leva à estimulação daadenilil ciclase, podem, juntos, induzir uma ativação da adenililciclase e uma liberação de neurotransmissor maiores, levando a umafacilitação da eficácia sináptica. Painel B. No hipocampo, apotenciação de longa duração resulta da ativação coincidente dereceptores do tipo N-metil-D-aspartato (NMDA-R) e da despolarizaçãopós-sináptica. Abreviações: AMPA-R = receptores do tipo ácido α-amino-3-hidróxi-5-metilisoxazol-4-propiônico; GTP = guanosinatrifosfato; 5-HT = 5-hidróxi-triptamina; 5-HT-R = receptor de 5-HT; LTP= potenciação de longa duração, Cai

2+ = cálcio interno; Gs = proteína

G; αs = subunidade α.Fonte: Reeditada de Bourne HR; Nicoll R: “Molecular Machines

Integrate Coincident Synaptic Signals”. Neuron 10 (suppl.): 65-75, 1993.Utilizada com permissão.

região CA3 e neurônios piramidais da região CA1 (Figura 1–13), a LTP é iniciada pelo influxo de Ca2+ no neurônio pós-sináptico (Figuras 1–12B e 1–13). O glutamato liberado pelosneurônios da região CA3 age em receptores NMDA e não-NMDA. Entretanto, apenas os disparos de alta freqüência (quedesencadeiam a LTP) ativam um número suficiente de recep-tores AMPA para provocar uma despolarização pós-sinápticasignificativa, capaz de liberar o bloqueio dependente da volta-

gem dos receptores NMDA pelo Mg2+. Os receptores NMDAfacilitam o influxo de Ca2+ na espinha dendrítica pós-sinápti-ca (Murphy et al., 1994; Petrozzino et al., 1995), o que iniciaum aumento na força sináptica. Já que o Ca2+ não flui pelocanal do receptor NMDA, a menos que o neurotransmissoresteja ligado e que a membrana pós-sináptica esteja simulta-neamente despolarizada, o receptor NMDA age como um de-tector de coincidências (Figura 1–12).

Os mecanismos celulares responsáveis pela expressão daLTP têm sido foco de intensa investigação — parecem envol-ver um aumento na liberação de neurotransmissores e/ou nonúmero e/ou na sensibilidade dos receptores pós-sinápticos(Malenka e Nicoll, 1999). Embora haja um crescente apoiopara a visão de que o locus da expressão da LTP seja pós-sináp-tico (descrito a seguir), também existem evidências convin-centes de que a LTP envolve um aumento na liberação de neu-rotransmissores pelos terminais pré-sinápticos (Stevens eSullivan, 1998; Stevens e Wang, 1995). Nesse caso, surge aquestão de como eventos pós-sinápticos desencadeados pelaativação de receptores NMDA poderiam levar a alterações naliberação pré-sináptica de neurotransmissores. Um segundo-mensageiro retrógrado, que poderia se difundir através da si-napse e agir nos terminais pré-sinápticos, seria necessário(O’Dell et al., 1994; Schuman e Madison, 1991; Zhuo et al.,1993). Vários experimentos indicam que o NO ou o CO sãocapazes de conduzir tal sinal retrógrado, difundindo-se da pós-sinapse aos sítios pré-sinápticos mais próximos, ativando aguanilil ciclase para induzir uma elevação no GMPc do termi-nal pré-sináptico. Tal aumento na transmissão sináptica de-pendente da LTP foi visualizado diretamente (Malgaroli et al.,1995). O aumento na liberação de neurotransmissores tam-bém é dependente de Ca2+, implicando em um detector decoincidência pré-sináptico (Zhuo et al., 1994). Além dessesgases difusíveis, foi demonstrado recentemente que uma fa-mília de fatores de crescimento chamados neurotrofinas agemcomo sinais retrógrados que facilitam o fortalecimento sináp-tico de longa duração, incluindo a LTP (McAllister et al., 1999).

Ao longo dos últimos anos, grande número de evidênciastem dado suporte para o locus pós-sináptico para expressão daLTP (Malinow et al., 2000). Existem atualmente dois meca-nismos que favorecem o aumento da eficácia sináptica pós-sinapticamente: 1) alteração na sensibilidade de receptores glu-tamatérgicos já existentes e 2) adição de receptores AMPA asinapses funcionalmente silenciosas. A elevação nos níveis deCa2+ pós-sináptico devido à transmissão sináptica de alta fre-qüência ativa várias quinases que são cruciais para a LTP e amemória: a quinase dependente de Ca2+/calmodulina II (Ca-mKII), a proteína quinase C (PKC) e a proteína quinase A.Essas quinases fosforilam GluR1, uma subunidade do recep-tor AMPA, aumentando a sensibilidade desses receptores; obloqueio dessa fosforilação inibe a expressão da LTP (H.K.Lee et al., 2000). Em concordância com o papel crítico dasquinases na LTP, camundongos deficientes em CamKII apre-sentam LTP reduzida, bem como déficits no aprendizado es-pacial (Bach et. al., 1995). Técnicas utilizando knockout de ge-nes, pelas quais animais mutantes são gerados com deficiênciaem determinado gene e então acasalados com homozigotospara eliminar completamente dada proteína, mostraram queoutras quinases também são necessárias para a LTP (Mayforde Kandel, 1999). Por exemplo, camundongos knockout para aquinase Fyn apresentam deficiência de LTP em CA1. Ao tes-tarem-se substratos para a quinase Fyn, foi demonstrado quehá uma deficiência na fosforilação da tirosina quinase de ade-


são focal (Grant et al., 1995). Esses resultados sugerem que osprocessos de adesão celular são importantes no desenvolvi-mento e necessários à consolidação desse processo de memória.

Há pouco tempo vários laboratórios vêm mostrando quesinapses silenciosas — sinapses que contêm apenas receptoresNMDA antes da indução da LTP — podem ser ativadas pelainserção, dependente da estimulação, de novos receptoresAMPA, fornecendo um mecanismo novo para a LTP (Mali-now et al., 2000). O aumento na função do receptor AMPAem sinapses anteriormente silenciosas após o estímulo indu-tor de LTP tem sido observado por muitos laboratórios. Omais importante é o fato de ser possível visualisar esse proces-so diretamente por imagens da inserção de receptores AMPA,marcados com a proteína fluorescente verde, em sinapses si-lenciosas após a indução da LTP (Shi et al., 1999). Pesquisasnessa área estão agora se concentrando nos mecanismos in-tracelulares do tráfego dos receptores AMPA e prometem de-senvolver logo uma compreensão abrangente dos mecanis-mos moleculares das modificações pós-sinápticas da LTP.

A LTP é composta de, pelo menos, duas fases: LTP iniciale LTP tardia. A LTP inicial estende-se pelas primeiras três horas

Figura 1–13 Potenciação de longa duração (LTP) no hipocampo.Painel A. Registro típico para LTP em sinapses nas regiões CA1-CA3hipocampais. São utilizados cortes transversais do hipocampo deroedores. Aplicam-se dois estímulos não sobrepostos aos neurôniospiramidais na região CA1 com eletrodos de estimulação extracelular— uma via é estimulada com alta intensidade; a outra com umaintensidade mais baixa. As respostas pós-sinápticas são registradasintracelularmente a partir de neurônios piramidais de CA1 ouextracelularmente na região CA1. Painel B. Após a aplicação deestímulos de alta freqüência (tetania) na região CA1 ou daestimulação pré-sináptica coincidente com a despolarização pós-sináptica, a facilitação de longa duração das respostas dos neurôniosda região CA1 são registradas. Esse painel mostra a curva dospotenciais excitatórios pós-sinápticos antes e depois da estimulação.A resposta pós-sináptica é extremamente aumentada após a tetaniaem resposta a estímulos de mesma magnitude. Painel C. Esquemailustrando os eventos moleculares necessários para a LTP e para adepressão de longa duração (LTD). Esse diagrama mostra os efeitosdo aumento de cálcio em uma espinha dendrítica pós-sináptica emresposta a estímulos que induzem LTP ou LTD. Depois que adespolarização remove o bloqueio por Mg2+, canais N-metil-D-aspartato (NMDA) abrem-se e permitem o influxo de Ca2+. O cálciotambém entra pelos canais de Ca2+ ativados por voltagem (VGCCs) epor alguns receptores ácido α-amino-3-hidróxi-5-metilisoxazol-4-propiônico (AMPA). A ativação de receptores glutamatérgicosmetabotrópicos também contribui para um aumento no cálciointracelular através da liberação de cálcio de estoques intracelulares,a qual é estimulada pela ativação da fosfolipase C (PLC) e por umaumento subseqüente no inositol-trifosfato (IP3). A ativação dequinases específicas facilita a indução e a expressão da LTP,enquanto a ativação de fosfatases predispõe a célula a expressar aLTD. Abreviações: DAG = Diacilglicerol; EPSP = Potencial excitatóriopós-sináptico; G = Proteína G; mGluR = Receptor glutamatérgicometabotrópico.

Fonte: Reeditada de Beggs JM, Brown TH, Byrne JH, et al.,: “Learningand Memory: Basic Mechanisms,” em Fundamental Neuroscience. Editado porZigmond MJ et al. San Diego, CA, Academic Press, 1999, p.1439, 1444.Utilizada com permissão.

após a indução e não requer síntese protéica. Em contraparti-da, a LTP tardia dura várias horas e necessita dos processos denovas transcrições e traduções. Como descrito anteriormentepara o fortalecimento sináptico de longa duração na Aplysia, aLTP envolve a ativação da CamKII, a produção de AMPc e aativação da transcrição gênica através do processo dependen-te de CREB. Evidências recentes indicam que a LTP tambémpode estimular o crescimento de novas conexões sinápticas, oque poderia mediar alterações sinápticas mais permanentesresponsáveis pelo aprendizado e pela memória (Engert e Bo-nhoeffer, 1999; Toni et al., 1999).

Como o fortalecimento das sinapses pela LTP é mantidosob controle? As sinapses hipocampais também apresentam adepressão de longa duração (LTD), a qual envolve uma gamasimilar de mecanismos ativados por estimulação sináptica debaixa freqüência (Linden e Connor, 1995). A LTD resulta emuma diminuição na força sináptica e pode ser mediada poruma diminuição na liberação de neurotransmissor e/ou naresponsividade pós-sináptica pela redução no número ou nasensibilidade dos receptores glutamatérgicos. Portanto, pormeio de um equilíbrio dinâmico entre LTP e LTD (Zhuo et

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al., 1994), as memórias de informações irrelevantes podem sereliminadas, e as memórias duradouras podem ser finamentesintonizadas. A regulação da força sináptica pode ser tambémrelacionada ao ritmo teta predominante no hipocampo. A es-timulação na freqüência teta produz LTP, enquanto estimula-ções mais lentas associadas a aumentos mais moderados nosníveis de Ca2+ levam a LTD. A freqüência teta parece estar sobcontrole colinérgico, sugerindo um mecanismo através do quala acetilcolina pode modular a memória (Huerta e Lisman,1993). De maneira mais geral, Llinás e colaboradores argu-mentaram que o ritmo teta medeia a integração tálamo-corti-cal e que distúrbios nesse ritmo estariam associados a prejuí-zos mentais em uma série de transtornos neuropsiquiátricos(Llinás et al., 1999).

DESENVOLVIMENTO NEURONAL

Como os neurônios são capazes de modificar a força desuas conexões de acordo com a experiência, refletem apenasuma fração dos mecanismos utilizados durante o desenvolvi-mento do SNC (Figura 1–14). Se as modificações sinápticasno adulto se assemelham ou utilizam mecanismos que ocor-rem durante o desenvolvimento, outras formas de plasticida-de podem existir no adulto, que são vestígios dos processosocorridos durante o desenvolvimento. Por exemplo, durante odesenvolvimento, certos neurônios sofrem a morte celular pro-gramada geneticamente, conhecida como apoptose, a qualparece desencadear um processo de competição por um oumais fatores de sobrevivência. Transtornos neuropsiquiátricospodem resultar de ativações aberrantes de tais mecanismos(Nijhawan et al., 2000). Em doenças neurodegenerativas ad-quiridas ou genéticas, um programa de morte celular pode serativado inapropriadamente em uma população celular especí-fica. Em doenças das mais variadas, tais como doença de Alzhei-mer, de Huntington, esclerose amiotrófica lateral, epilepsia eacidente vascular cerebral (AVC), neurônios específicos sãoseletivamente vulneráveis à apoptose, reproduzindo, portanto,um mecanismo normalmente utilizado durante o desenvolvi-mento cerebral. Outros transtornos, como o autismo, podemser explicados por uma falha, durante o desenvolvimento, noprocesso de morte celular programada (Piven et al., 1995).Vários problemas inerentes ao desenvolvimento resultam decrescimento ou migração aberrantes de neurônios ou de de-feitos na formação sináptica. Por exemplo, a esquizofrenia poderesultar da falha dos neurônios dopaminérgicos mesocorti-cais ao realizarem conexões sinápticas apropriadas com neu-rônios do córtex frontal (Weinberger e Lipska, 1995) ou damigração aberrante dos neurônios corticais (Akbarian et al.,1993). Esses dois defeitos podem ser relacionados pela obser-vação de que a dopamina desempenha papel importante tantona migração quanto na diferenciação neuronal (Todd, 1992).Em conseqüência, o conhecimento dos mecanismos ineren-tes ao desenvolvimento é fundamental para se conhecer a etio-logia de doenças neuropsiquiátricas.

Nascimento e migração

Os neurônios e a glia têm origem em zonas proliferativasque revestem o tubo neural embrionário no estágio da dobra-dura dos segmentos da cabeça e da expansão das cavidadesventriculares. Superficialmente, as células neuroepiteliais pro-liferativas nessas zonas parecem similares, mas, à medida que

Figura 1–14 Estágios do desenvolvimento neuronal e suamodulação. Em cada estágio, o neurodesenvolvimento é reguladopor fatores ambientais locais e, em fases mais tardias, também pelaatividade. Essa forma de arranjo permite à plasticidade acomodar asvariações individuais que são intrínsecas e as que dependem daexperiência. Devido à inter-relação de fatores intrínsecos e associadosà experiência, existem múltiplos pontos em que alteraçõespatológicas podem alterar o resultado final de maneira sutil ou maisevidente.

Fonte: Rayport S, Kriegstein AR: “Cellular and Molecular Biology of theNeuron”, em The American Psychiatric Press Textbook of Neuropsychiatry, 3ªedição. Editado por Yudofsky SC, Hales RE. Washington, DC, AmericanPsychiatric Press, 1997, p. 19. Utilizada com permissão.

o desenvolvimento ocorre, elas geram o mais diverso númerode tipos celulares distintos fenotípica, molecular e quimica-mente de todos os órgãos do animal adulto, todos organizadosna mais complexa estrutura encontrada em organismos vivos.A posição precisa e a conectividade dessa miríade de tipos ce-lulares são essenciais para o funcionamento do organismocomo um todo.

O modo como os neurônios chegam a suas localizaçõescorretas e formam conexões apropriadas ainda não está com-pletamente entendido. Teoricamente, o destino específico decada célula poderia ser determinado de forma intrínseca ape-nas por sua linhagem histórica, conforme parece ser o caso decertos invertebrados, tais como o verme Caenorhabditis elegans(Kenyon, 1986). Entretanto, estudos de linhagens em verte-brados demonstraram que fatores ambientais locais influen-ciam de maneira significativa o fenótipo, a localização e a co-nectividade final de neurônios individuais (Lumsden e


Krumlauf, 1996; Rubenstein et al., 1998). Os sinais molecula-res que influenciam o destino celular são diversos e reguladospelo desenvolvimento, incluindo fatores difusíveis e molécu-las de reconhecimento de superfície celular.

Determinação

Os estágios iniciais do desenvolvimento do SNC envol-vem uma série de passos indutivos nos quais fatores difusíveisproduzidos pelos tecidos vizinhos desencadeiam padrões es-pecíficos de expressão gênica no tecido neural. O processo dedesenvolvimento do SNC se inicia com a indução do ectoder-me neural durante a gastrulação, desencadeada pela liberaçãode um fator indutor a partir da mesoderme adjacente (Ham-burger, 1969). Uma vez que a placa neural esteja formada, umpadrão de diferenças regionais emerge sob o controle de fato-res difusíveis ou de fatores de indução mediados pelo contato,produzidos pelos tecidos adjacentes. Por exemplo, em embri-ões de galinhas, a notocorda induz o desenvolvimento da lâ-mina do assoalho através de um sinal dependente do contatocelular e desencadeia a seguir a produção de neurônios moto-res pela liberação de um fator difusível (Placzek et al., 1993;Yamada et al., 1993). A formação de um padrão adequado daplaca neural provavelmente envolve a interação de múltiplosfatores indutores de várias fontes, os quais estabelecem dife-renças regionais ao longo dos eixos ântero-posterior, médio-lateral e dorsoventral (Ruiz i Altaba, 1994).

No desenvolvimento cerebral inicial, o eixo neural é divi-dido em compartimentos. A segmentação é um princípio deorganização antigo e amplamente distribuído, expresso emtodos os embriões e evidente no plano corporal de muitos in-vertebrados. Recentemente, foram identificados genes quegovernam o desenvolvimento de segmentos específicos docorpo. Por exemplo, a identidade dos segmentos do plano cor-poral de um inseto e do rombencéfalo de mamíferos é contro-lada pela expressão de uma família de genes de identidade desegmentos, conhecidos coletivamente como homeobox ou ge-nes Hox (Maconochie et al., 1996). Os genes Hox codificamfatores de transcrição que, por sua vez, regulam outros genesque determinam o desenvolvimento exclusivo de cada segmen-to. Além disso, podem alterar a identidade de segmentos cor-respondentes em insetos e vertebrados e induzir o desenvolvi-mento de segmentos supranumerários quando inseridosartificialmente em embriões (Rijli et al., 1993). Em um exem-plo notável da conservação evolucionária, homólogos dos ge-nes Hox de insetos foram encontrados em todos os vertebra-dos, inclusive em humanos (McGinnis e Krumlauf, 1992); foiainda possível substituir, com sucesso, um gene de polaridadede segmento da mosca-das-frutas por um gene homólogo, co-nhecido como sonic hedgehog, encontrado no peixe-zebra(Krauss et al., 1993). À medida que o desenvolvimento conti-nua, novos compartimentos são originados, e segmentos sãoprogressivamente subdivididos. A segmentação no sistemanervoso de vertebrados é claramente visível na medula espinale também nos padrões segmentados dos rombômeros no rom-bencéfalo em desenvolvimento (Lumsden e Krumlauf, 1996;Tanabe e Jessell, 1996). À primeira vista, o prosencéfalo nãoapresenta a aparência segmentada das regiões mais caudais doSNC, mas é organizado de maneira segmentada, e, pelo me-nos, 30 genes Hox, expressos regionalmente, já foram identifi-cados no prosencéfalo de camundongos (Rubenstein et al.,1998). Esses estudos demonstram que o eixo neural embrio-nário é dividido em um padrão preciso de segmentos, com

delimitações que restringem a mistura intersegmental das cé-lulas neuroepiteliais e comprometem suas descendentes a umdestino segmental particular.

Proliferação

À medida que a neurogênese ocorre, as células precurso-ras neuroepiteliais nas zonas proliferativas que revestem osventrículos cerebrais dividem-se para produzir os neurônioscorticais. Em uma dada região do córtex, neurônios que com-partilham a mesma data de nascimento geralmente seguem omesmo padrão de diferenciação e formam a população celularda mesma camada cortical. Apesar disso, influências epigené-ticas múltiplas estão envolvidas na determinação do destinofinal de cada neurônio individual. Estudos de linhagens comretrovírus de replicação incompetente têm sido usados paramapear os destinos de descendentes de células precursorascorticais individuais. Descendentes clonais marcados às vezesincluem células amplamente dispersas que formarão a popu-lação de diferentes regiões cerebrais e que ocupam múltiplascamadas corticais (Grove et al., 1993; Mione et al., 1994; C.Walsh e Cepko, 1993). De maneira similar, resultados de ex-perimentos com camundongos quiméricos contradizem osestritos mecanismos de dependência da linhagem para espe-cificação regional ou laminar (Crabdall e Herrup, 1990; Fishellet al., 1990; Goldowitz, 1989). Entretanto, células corticais real-mente se destinam a uma disposição laminar no momento desua divisão celular final, antes de migrarem para fora da zonaproliferativa. Em experimentos com transplantes heterocrô-nicos, McConnell (1988) transplantou células da zona ventri-cular de um embrião, no qual as células destinadas para ascamadas mais profundas estavam sendo geradas, a cérebrosde hospedeiros mais velhos, onde células destinadas para ascamadas superficiais estavam sendo geradas, desafiando-as aalterarem seu destino laminar. As células conseguiam adotarum destino laminar apropriado ao hospedeiro se transplanta-das antes, mas não depois, da última rodada de divisão celular.

As células neuroepiteliais podem alterar sua atividade pro-liferativa em resposta a fatores de sinalização local, inclusive aaminoácidos neurotransmissores. Durante estágios iniciais dodesenvolvimento cortical, células progenitoras na zona ven-tricular já expressam subtipos específicos de receptores paraos neurotransmissores GABA e glutamato (LoTurco et al.,1991, 1995). Durante os estágios mais tardios da corticogêne-se, a ativação desses receptores por neurotransmissores libe-rados endogenamente inibe a síntese de DNA e diminui onúmero de células precursoras que estão entrando na fase desíntese de DNA do ciclo celular (LoTurco et al., 1995). Algu-mas evidências também sugerem que certos fatores de cresci-mento podem regular a neurogênese. Por exemplo, receptorespara o fator de crescimento básico do fibroblasto são expres-sos em células neuroepiteliais embrionárias (Reid et al., 1990),e o fator de crescimento básico do fibroblasto estimula a divi-são celular de precursores neuronais (Gensburger et al., 1987).Os circuitos neuronais que regulam a atividade de populaçõesde células precursoras no SNC estão começando a ser explo-rados.

Migração

Após terem completado suas divisões celulares finais, osneurônios migram para posições definitivas, guiados por si-nais físicos e químicos (Figura 1–15). No córtex, por exemplo,

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uma estrutura temporária de células gliais radiais é estabeleci-da durante o desenvolvimento e parece ser fundamental paraa organização colunar do córtex (Rakic, 1988). Quando as cé-lulas completam sua divisão final, são fixadas a essas guiasgliais por moléculas de adesão celular, como a astrotactina

(Hatten, 1993), e movem-se das zonas ventricular e subventri-cular para a área superficial do córtex (Figura 1–15). O movi-mento de neurônios ao longo das fibras gliais parece ser regu-lado por sinais difusíveis, tais como o glutamato agindo nosreceptores NMDA de neurônios em migração (Komuro e

Figura 1–15 A migração neuronal e o desenvolvimento cortical. Painel A1. Uma secção do córtex cerebral em desenvolvimento ilustrando azona ventricular (ZV) ao redor do ventrículo (VL) onde todos os neurônios corticais são originados. Painel A2. À medida que o desenvolvimentoprossegue (da esquerda para a direita), os neurônios gerados mais precocemente migram da ZV para formar a pré-placa (PP). Neurôniosoriginados mais tardiamente, destinados a formar a placa cortical (PC), migram da zona ventricular pela zona intermediária (ZI) e dividem a pré-placa em zona marginal (ZM) e subplaca (SP). A placa cortical vai desenvolver múltiplas camadas à medida que novos neurônios sãoadicionados. A zona subventricular (ZSV) é a fonte primária de células gliais no córtex. Painel B1. A maioria dos neurônios recém-nascidosmigram ao longo das fibras gliais radiais. O neurônio migratório é caracterizado por um processo condutor com filopódios, um processosecundário e um núcleo localizado na parte do corpo celular que está voltada para o processo secundário. Os neurônios gerados a partir deuma única célula precursora podem, às vezes, ficar dispersos tangencialmente no córtex, sugerindo que a migração neuronal não-radialtambém ocorre durante o desenvolvimento cortical. Painel B2. Neurônios em desenvolvimento e glia recombinados em cultura, mostrandopadrões de migração. Fotografias sucessivas de um neurônio hipocampal em migração, obtidas a intervalos de aproximadamente 15 minutos.O neurônio (n) move-se segundo padrões de “paradas e continuações” ao longo da fibra glial radial (fg). Um processo condutor (pc) estende-sena porção superior da célula e apresenta numerosas extensões de filopódios altamente ativos. O processo secundário e o núcleo localizadoposteriormente também estão em evidência. Os neurônios migram em glias provenientes de diferentes cérebros, sugerindo a existência de umsistema de reconhecimento molecular comum, utilizado para guiar a migração ao longo de toda a extensão cerebral.

Fonte: Painel A1 e lado esquerdo do Painel B1 reeditados com permissão de Rakic P: “Radial Unit Hypothesis of Cerebral Cortical Evolution”. ExperimentalBrain Research 21 (suppl): 25-43, 1991; Painel A2 reeditado de Uylings HBM, Van Eden CG, Parnavelas JG, et al.: “The Prenatal and Postnatal Development of theRat Cerebral Cortex”, em The Cerebral Cortex of the Rat. Editado por Kolb B, Tees RC. Cambridge, MA, MIT Press, 1990, p.35-76; lado direito do Painel B1

reeditado de Rakic P: “Mode of Cell Migration to the Superficial Layers of Fetal Monkey Neocortex.” Journal of Comparative Neurology 145: 61-83, 1972, direitosautorais de John Wiley and Sons; Painel B2 reeditado de Hatten ME: “Riding the Glial Monorail: A Common Mechanism for Glial-Guided Neuronal Migration inDifferent Regions of the Developing Mammalian Brain.” Trends in Neurosciences 13: 179-184, 1990. Utilizada com permissão.


Rakic, 1993). Além da migração radial das zonas ventricularesà superfície pial, os neurônios podem também migrar tangen-cialmente em paralelo a ela. No córtex cerebral, os neurôniospiramidais migram radialmente da zona ventricular à sua ca-mada específica dentro da placa cortical (Rakic, 1978). Emcontrapartida, uma grande porção de neurônios GABAérgi-cos que nascem na eminência ganglionar subcortical do te-lencéfalo migram tangencialmente para a placa cortical (An-derson et al., 1997).

O desenvolvimento cortical embrionário ocorre em doisestágios (Marin-Padilla, 1992). Os neurônios gerados maisprecocemente são uma população transitória de células. Elesformam a primeira camada cortical, chamada de camada ple-xiforme primordial ou pré-placa. O segundo estágio de de-senvolvimento cortical começa quando neurônios corticais ori-ginados na zona germinal periventricular migram em direçãoà pré-placa, efetivamente dividindo essa camada em duas par-tes. Neurônios que chegam mais tardiamente ultrapassam osque chegaram antes, de modo que as camadas corticais desen-volvem-se de dentro para fora (Rakic, 1974). À medida que ocórtex aumenta sua espessura, os neurônios iniciais continu-am a formar as camadas delimitantes acima e abaixo da placacortical em desenvolvimento, conhecidas como zona margi-nal e subplaca, respectivamente. As maiores células da zonamarginal embrionária são as células de Cajal-Retzius. Assimcomo muitos outros tipos de células da zona marginal e dasubplaca, as células de Cajal-Retzius parecem sofrer mortecelular programada em estágios pós-natais precoces, após alaminação cortical ter-se estabelecido (Mienville, 1999).

Vários achados recentes apóiam a importância da zonamarginal e das células da subplaca no auxílio da organizaçãoda corticogênese. As primeiras sinapses a se formarem du-rante o desenvolvimento cortical são localizadas na zona mar-ginal e na subplaca. No córtex visual, células da subplacaenviam os primeiros axônios do córtex ao núcleo geniculadolateral do tálamo. Eles, por sua vez, recebem contatos sináp-ticos dos axônios do núcleo geniculado lateral antes que es-ses axônios atinjam seus alvos corticais na camada 4 (Allen-doerfer e Shatz, 1994). Devido ao fato de que a remoçãocirúrgica inicial das células da subplaca previne os axôniosdo núcleo geniculado lateral de entrarem no córtex (Ghoshet al., 1990) e de que sua remoção mais tardia previne a for-mação das colunas de dominância ocular (Ghosh e Shatz,1992), essas células parecem ser críticas para a formação dasconexões tálamo-corticais.

Uma importante informação a respeito da importânciadas células da zona marginal na regulação da migração emestruturas laminares cerebrais foi obtida por estudos do ca-mundongo mutante reeler. Nestes camundongos, um erro nosmecanismos moleculares que controlam a migração resultaem formação anormal das camadas corticais (Caviness, 1982).O primeiro estágio da corticogênese ocorre normalmente, euma pré-placa de aparência normal é formada. Entretanto,quando os neurônios em migração atingem a placa cortical,eles não conseguem ultrapassar os neurônios que chegaramanteriormente, e o córtex desenvolve-se de fora para dentro,ou seja, em um padrão invertido. O gene selvagem do locusreeler já foi identificado. Esse gene codifica uma proteína, areelina (D’Arcangelo et al., 1995), que não possui domíniostransmembrana e é provavelmente uma proteína extracelular;estudos histológicos localizaram a reelina na superfície exter-na das células de Cajal-Retzius (Ogawa et al., 1995). Esses acha-dos enfatizam a importância das células transitórias da cama-

da plexiforme primordial no estabelecimento da laminaçãocortical.

Além da reelina, vários outros genes têm sido recente-mente relacionados com a migração neuronal, inclusive emcamundongos com genes incapacitados (mdab1), os recepto-res VLDL e ApoE2, a quinase dependente de ciclina 5 (cdk5),a p35, a astrotactina, a integrina β1, a integrina α3 e a neure-gulina (revisado em C.A.Walsh, 2000). A deleção de algunsdesses genes está associada a uma série de distúrbios do neu-rodesenvolvimento em humanos, sutis ou devastadores (C.A.Walsh, 2000; C.A. Walsh e Goffinet, 2000). Mutações no geneque codifica a filamina provocam a heterotopia periventricu-lar ligada ao X, a qual resulta na formação de ilhotas de neu-rônios ectópicos próximo aos ventrículos e em um leve preju-ízo cognitivo. A filamina é uma fosfoproteína do tipo actina,com ligações cruzadas, necessária para a locomoção de mui-tos tipos de células. A mutação de LIS1 está associada à lissen-cefalia tipo 1 em humanos e provoca desorganização no cór-tex, no hipocampo e no bulbo olfatório de camundongos (C.A.Walsh e Goffinet, 2000), com graves conseqüências cogniti-vas. Esses distúrbios enfatizam o processo de migração neu-ronal como sendo o primeiro substrato patológico para trans-tornos relacionados ao desenvolvimento cortical.

Diferenciação neuronal

Após terem migrado para suas posições definitivas, os neu-rônios começam a elaborar seus processos. Durante vários diasa semanas, cada neurônio elabora uma árvore dendrítica ca-racterística e um padrão de projeção axonal altamente especí-fico. A diferenciação neuronal é essencial para o funcionamentocerebral adequado, já que a estrutura do neurônio determinao número e os tipos de informações que a célula receberá,bem como o número e os tipos de células com as quais ela farácontato. O crescimento do neurito é mediado por estruturasespecializadas: os cones de crescimento, que se formam nasextremidades dos processos. Esses cones controlam a inser-ção de novos elementos de membrana na membrana celular,liberam enzimas proteolíticas para a abertura de vias pela ma-triz extracelular e estendem processos mais finos (filopodia),que guiam o processo de crescimento na direção apropriada(Purves e Lichtman, 1985; Suter e Forscher, 2000). Os conesde crescimento axonal podem mover-se até 1 mm por dia. Àmedida que avançam, um citoesqueleto de microtúbulos e deneurofilamentos forma-se no processo de elongação. Além damanutenção da estrutura do processo em crescimento, esseselementos do citoesqueleto também conduzem a membrana eas proteínas estruturais necessárias dos locais de síntese nocorpo celular aos processos recém-gerados e conduzem subs-tâncias tróficas ao corpo celular.

A orientação axonal é controlada por um grande númerode sinais, divididos em quatro categorias principais: quimioa-tração ou quimiorrepulsão e atração ou repulsão de contato(Figura 1–16). A princípio, os cones de crescimento dependemda adesividade intrínseca das células adjacentes. Mais tarde,são guiados por seus alvos ou por células intermediárias deorientação. Os alvos apropriados podem expressar moléculasde adesão ou liberar fatores quimioatrativos difusíveis, enquan-to os alvos inapropriados podem fornecer sinais repulsivos me-diados pelo contato ou difusíveis. O alvo valida as células co-nectadas de forma correta, pois fornece substâncias tróficasque sustentam a sobrevivência dos neurônios em inervação.As células que falham na realização de conexões apropriadas

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sofrem apoptose (morte celular programada) devido à falta detais substâncias.

A formação de conexões específicas tem sido extensiva-mente estudada em neurônios sensoriais dos membros dogafanhoto. Essas células são originadas na periferia e, em se-guida, enviam axônios ao SNC em desenvolvimento (Good-man e Shatz, 1993). Os primeiros neurônios a enviar seus pro-cessos formam as fibras pioneiras. Os neurônios que sedesenvolvem mais tarde são guiados por interações adesi-vas com as fibras pioneiras. Células específicas no epitélio,chamadas de células guias, servem como alvos intermediários.Os cones de crescimento das fibras pioneiras estendem filo-pódios, que fazem contatos transitórios através de junçõescomunicantes com as células guias, provavelmente realizandotrocas de pequenas moléculas que agem como reguladoresintracelulares. Se esses filopódios são bloqueados farmacolo-gicamente, o crescimento continua, mas de maneira não-dire-cionada (Bentley e Toroian-Raymond, 1986). As fibras pionei-ras prosseguem de uma célula-guia à próxima, e assim su-cessivamente, até que atinjam seus alvos finais. Mais tarde, aspróprias células guias darão origem a neurônios, que enviamseus processos ao SNC, seguindo as fibras pioneiras que elasorientaram.

Trabalhos recentes têm mostrado que mecanismos dedesenvolvimento similares operam na formação do SNC demamíferos. Na medula espinal em desenvolvimento, os neu-rônios comissurais na medula espinal dorsolateral são orien-tados quimiotaticamente à lâmina-assoalho da medula ven-tral. Ao atingirem a lâmina-assoalho, os processos usam-nacomo células guia, alterando sua direção e crescendo para for-mar o trato espinotalâmico contralateral. Moléculas quimioa-

trativas, tais como as netrinas (Cook et al., 1998; Kennedy etal., 1994; Tear, 1999), controlam esse processo. De maneirasimilar, no tronco cerebral em desenvolvimento, após as fibraspioneiras corticoespinais terem se estendido em direção àmedula espinal, processos secundários que inervarão a ponteoriginam-se sob o controle de um fator difusível quimioatra-tivo derivado da ponte (Sato et al., 1994).

Na medida em que os cones de crescimento navegam pelocérebro, dependem da adesão diferencial a axônios que elescontatam para orientar-se. Várias famílias de moléculas deadesão celular neuronal foram descobertas, juntamente comdiversas famílias de receptores para moléculas da matriz ex-tracelular (Reichardt e Tomaselli, 1991; F.S. Walsh e Doherty,1997). Formas particulares de moléculas de adesão são expres-sas por subconjuntos de axônios em desenvolvimento que seagrupam uns aos outros para formar feixes de fibras axonais.Os neurônios podem expressar seletivamente moléculas deadesão e receptores em certas regiões do axônio e tambémalternar entre expressá-los ou não em tempos apropriados. Porexemplo, na medula espinal em desenvolvimento, os axônioscomissurais expressam certas glicoproteínas em seus proces-sos à medida que crescem e cruzam a linha média. Esses axô-nios então passam a expressar diferentes glicoproteínas quan-do passam a seguir os tratos longitudinais no lado contralateral(Dodd et al., 1988; Tear, 1999).

Os neurônios em desenvolvimento podem depender desinais atrativos e repulsivos para atingir seus alvos. Recente-mente, um grande número dessas moléculas foi caracterizado(Goodman, 1996). Por exemplo, na lâmina ventral do tubo neu-ral em desenvolvimento de vertebrados e no quiasma óptico demamíferos com visão binocular, os axônios destinados a cruzara linha média assim o fazem. Aqueles não destinados a cruzarcomportam-se como se tivessem encontrado um sinal repulsi-vo; os cones de crescimento colapsam ao atingirem a linha mé-dia e então mudam de direção (Godement et al., 1990; Sreta-van, 1990). Um candidato possível para tal repulsão é uma famíliade moléculas que orientam axônios, as efrinas (Flanagan e Van-derhaeghen, 1998; Nakagawa et al., 2000). Outra família de fa-tores repulsivos é a das semaforinas (Raper, 2000); axônios sen-soriais do gânglio da raiz dorsal deixam de crescer devido a sinaisrepulsivos mediados pelas semaforinas (Messersmith et al.,1995). Além disso, na mosca-das-frutas em desenvolvimento,alguns axônios de interneurônios em cada neurômero atingema linha média e cruzam-na, enquanto outros mudam sua dire-ção e permanecem sem cruzar; essas interações na linha médiaparecem ser mediadas por interações entre proteínas codifica-das pelas famílias de genes robo e slit (Brose e Tessier-Lavigne,2000; Seeger, 1994). Para adicionar ainda mais complexidade,foi recém-demonstrado que uma mesma molécula orientadorade axônios pode agir atraindo ou repelindo o mesmo axônio,dependendo da concentração intracelular local de AMPc ouGMPc no cone de crescimento (Song e Poo, 1999).

Formação da sinapse

Quando o cone de crescimento axonal atinge uma célu-la-alvo, uma série complexa de interações se inicia, resultandona formação de uma sinapse. Embora ainda haja muito paraser aprendido sobre a formação de sinapses no SNC, o pro-cesso básico da sinaptogênese na junção neuromuscular (asinapse entre um neurônio motor e uma célula muscular) jáfoi bem descrito (Figura 1–17). Tanto o neurônio motor quan-to a fibra muscular possuem a maquinaria molecular necessá-

Figura 1–16 Forças envolvidas no direcionamento axonônico. Odirecionamento apropriado dos axônios em direção a seus alvosenvolve a ação coordenada de quatro tipos de sinais de orientação:atração de contato, repulsão de contato, quimioatração equimiorrepulsão. Existem sinais de curto alcance (contato) e de longoalcance (químicos) que podem agir para inibir/repelir ou atrair oscones de crescimento neuronal.

Fonte: Goodman CS, Tessier-Lavigne M: “Molecular Mechanisms ofAxon Guidance and Target Recognition”, em Molecular and CellularApproaches to Neural Development. Editado por Cowan WM, Jessel TM,Zipursky SL. New York, Oxford University Press, 1997, p.114. Utilizada compermissão.


ria pré-fabricada antes da formação da sinapse (J.R. Sanes eLichtman, 1999). O cone de crescimento do neurônio motorfunciona como uma proto-sinapse, apresentando liberação deneurotransmissor regulada pela atividade, e as células pós-si-nápticas não-inervadas apresentam receptores para os trans-missores distribuídos em grande parte da sua superfície. Emquestão de minutos após o contato inicial, uma forma rudi-mentar de transmissão sináptica começa a existir. No decorrerdos dias subseqüentes, as conexões começam a fortalecer-se eestabilizar-se, e o cone de crescimento vai maturando e dandoorigem ao terminal pré-sináptico, reunindo os elementos ce-

lulares necessários para liberação localizada de neurotrans-missor nas zonas ativas. Paralelamente, a célula pós-sinápticaconcentra receptores no local de contato, removendo-os deoutras regiões, e, ao longo de dias, desenvolve as especializa-ções pós-sinápticas (J.R. Sanes e Lichtman, 1999).

Embora essa série básica de eventos seja provavelmente omodelo de formação de sinapses entre neurônios do SNC,certamente existirão substanciais diferenças devido à grandediversidade das sinapses do SNC. Para que as sinapses no SNCse formem, os principais componentes da sinapse devem serrecrutados para os sítios de contato físico entre axônios e den-

Figura 1–17 Formação de uma sinapse na junção neuromuscular (JNM).Painel A. Esquema dos componentes moleculares de uma junçãoneuromuscular típica. Em uma JNM madura, o terminal pré-sináptico éseparado da célula muscular pós-sináptica pela fenda sináptica. As vesículassinápticas preenchidas com acetilcolina estão agrupadas nas zonas ativas,onde podem fundir-se com a membrana plasmática em decorrência dadespolarização para liberar o transmissor na fenda sináptica. Os receptoresda acetilcolina localizam-se pós-sinapticamente, e células gliais chamadasde células de Schwann recobrem o terminal sináptico. Painel B. Estágios daformação da JNM. (1) Um cone de crescimento isolado de um neurôniomotor é guiado em direção ao músculo pelos sinais de orientaçãoaxonônica. (2) O primeiro contato é físico e não-especializado. (3)Entretanto, as vesículas sinápticas agrupam-se rapidamente no terminalaxônico, os receptores de acetilcolina começam a agrupar-se na sinapseem formação e a lâmina basal deposita-se na fenda sináptica. (4) À medidaque o desenvolvimento continua, múltiplos neurônios motores inervamcada músculo. (5) Entretanto, ao longo do tempo, todos os axônios,exceto um, são eliminados por um processo que depende da atividade, e oterminal remanescente continua sua diferenciação.

Fonte: Reeditada de Kandel Er, Schwartz JH, Jessel TM: Principles of NeuralScience, 4ª edição. New York, McGraw-Hill, 2000, p.1088. Utilizada com permissão.

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dritos. Por exemplo, neurônios hipocampais pré e pós-sináp-ticos contêm alguns componentes da maquinaria sináptica an-tes da formação da sinapse. Os receptores AMPA e NMDAestão presentes nos dendritos, e as proteínas das vesículas si-nápticas estão presentes em axônios distais antes do contato(Craig et al., 1993; Fletcher et al., 1991; Kraszewski et al., 1995).O contato entre neurônios pré e pós-sinápticos é seguido pelorecrutamento de vesículas sinápticas para as novas sinapsesdentro de horas após o contato (Ahmari et al., 2000). Atravésde mecanismos desconhecidos, o contato entre axônio e den-drito resulta no agrupamento de receptores glutamatérgicosnos sítios sinápticos da célula pós-sináptica (Craig et al., 1993).Em culturas de baixa densidade de neurônios hipocampais,receptores NMDA, AMPA e proteínas estruturais pós-sináp-ticas acumulam-se nas sinapses a intervalos de tempo distin-tos, sugerindo que eles são direcionados à sinapse por dife-rentes mecanismos (Friedman et al., 2000; Rao et al., 1998).Vários grupos de pesquisa independentes têm demonstradoque receptores NMDA são expressos antes dos receptoresAMPA nas sinapses hipocampais recém-formadas e que, àmedida que o desenvolvimento continua, os receptores AMPAse acumulam gradualmente nessas sinapses (Isaac et al., 1997;Liao et al., 1999; Petralia et al., 1999; Wu et al., 1996). Entre-tanto, outros investigadores demonstraram o resultado opos-to — que os receptores AMPA são os primeiros a agrupar-senas sinapses hipocampais, seguidos pelos receptores NMDAe pelas proteínas estruturais (Friedman et al., 2000; Rao et al.,1998). O tempo preciso da inserção de receptores AMPA eNMDA tem implicações significativas para os mecanismos defortalecimento sináptico durante o desenvolvimento cortical,já que os dois receptores medeiam formas muito diferentes deplasticidade sináptica (Kim e Huganir, 1999).

Maturação e sobrevivência neuronais

A maturação das células pós-sinápticas requer síntese pro-téica de novo, assim como as alterações duradouras dependentesdo aprendizado no SNC adulto. Os genes de expressão imedia-ta (IEGs) (Morgan e Curran, 1989) estão entre os primeiros ge-nes a serem ativados pela despolarização pós-sináptica, estimu-lados pelas elevações no Ca2+, na AMPc, no GMPc, no inositol-trifosfato (IP3) ou no diacilglicerol (DAG). O protótipo dessafamília de proto-oncogenes é o c-fos. A transcrição dos IEGsleva à síntese de proteínas (p. ex., c-fos) que modulam ou indu-zem a transcrição de outros genes que, direta ou indiretamen-te, provocam alterações estruturais na célula. Por exemplo, asíntese do fator de crescimento nervoso (NGF) pode ser con-trolada pela transcrição de c-fos; lesões no nervo isquiático le-vam a um rápido aumento nos níveis de fos, o qual se liga aosítio de iniciação de transcrição para NGF, estimulando sua pro-dução (Hengerer et al., 1990). A sensibilização de longa dura-ção na Aplysia (Barzilai et al., 1989), a LTP hipocampal (Cole etal., 1989; Wisden et al., 1990) e a plasticidade estrutural nosdendritos (Lyford et al., 1995) estão associadas à ativação espe-cífica de IEGs.

Interações entre neurônios pré e pós-sinápticos podempotencializar e modular sua diferenciação. Por exemplo, a se-creção de fatores tróficos por células pós-sinápticas é capaz dedeterminar se os neurônios pré-sinápticos que as inervam so-breviverão ou sofrerão apoptose. Regulações mais refinadasda diferenciação de células pré-sinápticas também ocorrem.No sistema nervoso simpático em desenvolvimento, neurôni-os jovens são exclusivamente noradrenérgicos antes da for-

mação das sinapses. Dependendo do tecido-alvo, eles podemser induzidos a tornar-se colinérgicos, mantendo apenas tra-ços do fenótipo noradrenérgico (Landis, 1990). Esse efeito de-pendente do alvo é mediado pela liberação de um fator solúvelde diferenciação colinérgica pelas células pós-sinápticas. Umavez que o contato sináptico é estabelecido, a ativação colinér-gica da célula pós-sináptica pelas terminações pré-sinápticassuprime a liberação do fator de diferenciação colinérgica. Por-tanto, a formação de uma sinapse pode atingir alterações delongo alcance, tanto pré quanto pós-sinápticas, que podemincluir a escolha de um neurotransmissor de um neurôniopré-sináptico.

Em muitas áreas do sistema nervoso de vertebrados, osneurônios são inicialmente produzidos em excesso. Para so-breviver, muitos neurônios precisam receber um suprimentoadequado de um ou mais fatores tróficos produzidos por seusneurônios-alvo. A competição por suprimentos limitados des-ses fatores assegura que os neurônios sobreviventes serão cor-retamente conectados e que o número de neurônios será ade-quado ao tamanho do alvo. Em geral, células privadas de fatoresneurotróficos sofrem apoptose, uma forma de morte celularprogramada geneticamente, caracterizada pela retração cito-plasmática, pela condensação da cromatina e pela degradaçãodo DNA em fragmentos oligonucleossomais (Edwards et al.,1991). Diferentemente da necrose, esse processo não estimularespostas inflamatórias. A apoptose é um processo ativo querequer síntese de RNA e síntese protéica (Oppenheim et al.,1991; Scott e Davies, 1990). Existe um número crescente dedados que sustentam a extraordinária hipótese de que a apop-tose é um programa-padrão para a maioria das células e deque o suicídio celular disseminado é prevenido apenas pelapresença contínua de sinais de sobrevivência que suprimem oprograma intrínseco de morte celular (Raff, 1992). O exemploneuronal melhor estudado é a dependência de neurônios sim-páticos e sensoriais em relação ao NGF produzido pelo teci-do-alvo. Embora quase a metade dos neurônios simpáticosnormalmente sofra apoptose, a aplicação de NGF exógeno im-pede a maioria das células de morrer; em contrapartida, a neu-tralização do NGF mediante anticorpos produz morte ge-neralizada dos neurônios simpáticos (Raff et al., 1993).

Várias famílias de fatores de crescimento e de seus recep-tores foram identificadas (Figura 1–18), inclusive as neurotro-finas que se ligam a membros da família dos receptores TrK detirosina-quinases (Bothwell, 1991; Chao, 1992; Glass e Yanco-poulos, 1993). Elas abrangem o NGF, o fator neurotrófico de-rivado do cérebro, e as neurotrofinas 3, 4/5 e 6. Outra famíliainclui o fator neurotrófico ciliar, a atividade promotora de cres-cimento e o fator inibidor da leucemia. Fatores neurotróficosadicionais incluem o fator de crescimento de fibroblasto bási-co e o fator neurotrófico derivado da linhagem celular glial.Camundongos transgênicos, com mutações nos genes neuro-tróficos ou nos seus receptores apresentam anormalidades emdeterminadas populações de neurônios (Davies, 1994). Os fa-tores de sobrevivência neuronal não são exclusivamente deri-vados dos alvos; suas fontes também incluem neurônios deinervações, células gliais e hormônios circulantes. A habilida-de dos fatores tróficos em promover a sobrevivência neuronaltem sido atribuída à cascata da fosfatidilinositídeo 3’-OH qui-nase/c-Akt quinase, agindo por meio de, pelo menos, dois com-ponentes intracelulares da via de morte celular, BAD e caspa-se-9 e o fator de transcrição NF-κB (Datta et al., 1999).

Os mecanismos celulares da apoptose parecem envolveruma inter-relação complexa de várias cascatas de sinalização


(Sastry e Rao, 2000). No verme C. elegans, ced-3 e ced-4 são ne-cessários para a apoptose (Ellis et al., 1991). O produto dogene ced-3 é uma cisteína protease que possui um homólogoem mamíferos chamado de enzima conversora da interleuci-na-1β (ECI). Grande número de cisteína proteases foi recém-descoberto em muitas espécies, desempenhando diversos pa-péis na morte celular; essas proteínas são classificadas comomembros da grande família de proteínas caspase (sigla paraaspartato protease dependente de cisteína) (D.H. Sanes et al.,2000). Algumas caspases são consideradas as proteínas efeto-ras finais na cascata de morte celular. Em contraste com osgenes de morte celular ced-3 e ced-4, o ced-9 age prevenindo aapoptose em células que normalmente sobrevivem. Uma mu-tação em ced-9 leva à apoptose disseminada e à morte do em-brião (Hengartner et al., 1992). O gene ced-9 encontrado emvermes é homólogo ao oncogene humano Bcl-2, o qual se en-contra superexpresso em células B de linfomas humanos (Tsu-jimoto et al., 1984). O gene humano pode bloquear a mortecelular em vários sistemas in vivo e in vitro, tendo sido transfe-rido à C. elegans, onde, notavelmente, pôde substituir o ced-9 eprevenir a apoptose em suas células. Recentemente, a famíliade proteínas semelhantes a Bcl-2 cresceu bastante. Emboraalgumas dessas proteínas inibam a morte celular, outras po-dem promover a apoptose. Em geral, os resultados atuais su-gerem a existência de várias vias apoptóticas que talvez depen-dam do tipo de célula e do agente indutor; entretanto, a maioriadessas vias parece convergir ao passo ECI/caspase (D. H. Sa-nes et al., 2000). Ainda que os passos precisos nas vias de mor-te celular permaneçam não totalmente esclarecidos, os meca-nismos moleculares da apoptose foram claramente conservadosem termos evolucionários.

Os eventos moleculares subjacentes à apoptose em célu-las neuronais e não-neuronais provavelmente incluem umgrande número de iniciadores, de mediadores e de inibidores,

mas várias características em comum estão sendo identifica-das. Há evidências de que espécies reativas de oxigênio podemdesencadear a apoptose em neurônios (Greenlund et al., 1995)e de que o Bcl-2 pode prevenir a apoptose pela inibição daprodução de radicais livres (Hockenbery et al., 1993; Kane etal., 1993). Essa hipótese tem levado a tentativas do uso de an-tioxidantes e inibidores da produção de radicais livres comoagentes terapêuticos em várias doenças neurodegenerativas,traumas e acidentes vasculares cerebrais (AVCs). Por exemplo,a superóxido dismutase (uma defesa contra radicais livres) pro-tege os neurônios contra dano isquêmico. Camundongos trans-gênicos que superexpressam a superóxido dismutase apresen-tam infartos menores após a oclusão arterial (Kinouchi et al.,1991). Mutações no gene da Cu/Zn superóxido dismutase es-tão associadas a certas formas familiares da esclerose amiotró-fica lateral, sugerindo que radicais de oxigênio podem ser res-ponsáveis pela degeneração dos neurônios motores empacientes com essa doença (Rosen et al., 1993).

Refinamento sináptico dependente da experiência

A experiência sensorial normal é essencial para a matu-ração das conexões neurais tanto no sistema nervoso perifé-rico como no central. A experiência sensorial modela o de-senvolvimento de diversas regiões cerebrais durante umajanela temporal específica, chamada de período crítico. Oprocesso do refinamento sináptico assume significância clí-nica e continua a ser importante ao longo da vida, fornecen-do mecanismos para a modificação da estrutura e da conec-tividade neuronal dependente da atividade. O papel integralda atividade sensorial no desenvolvimento cerebral e a habi-lidade da experiência em alterar a percepção têm sido maisextensivamente documentadas no sistema visual. Nesse sis-tema, os estímulos visuais sobrepostos dos dois olhos devemser combinados de maneira ordenada para maximizar a acui-dade e a estereopse (Figura 1–19). Em animais com visão bi-nocular, tais como humanos, gatos e macacos, os estímulosvisuais de uma região específica do espaço visual ativam neu-rônios no córtex visual contralateral. Os neurônios nas he-mirretinas esquerdas dos olhos esquerdo e direito conver-gem sinais ao córtex esquerdo, e, similarmente, os neurôniosdas hemirretinas direitas convergem sinais ao córtex direito(Figura 1–19A). Portanto, as informações visuais provenien-tes da mesma fonte externa são temporariamente separadasem vias específicas do olho direito e do esquerdo e entãoreunidas no mesmo hemisfério cortical.

Como essas informações visuais são recombinadas? Asegregação específica de cada olho, dos estímulos de cada reti-na, é mantida no tálamo visual, ou núcleo geniculado lateral(NGL), e nas camadas de projeção do córtex visual, mas con-verge em outras camadas do córtex visual primário (V1). Nascamadas do V1 que recebem estímulos do núcleo geniculadoem adultos, estímulos dos dois olhos projetam-se em colunasde células separadas. As colunas de dominância ocular (DO)formadas são arranjadas adjacentemente umas às outras emlistas alternadas dominadas por um olho ou pelo outro (Figu-ra 1–19) (Hubel e Wiesel, 1977). O padrão de listas formadasna superfície do córtex lembra as listas de uma zebra (Figura1–19B, D). Os neurônios de saída das colunas de dominânciaocular projetam-se a outras camadas corticais, onde a infor-mação visual derivada de estímulos de ambos os olhos é re-combinada e sinais estereoscópicos são extraídos. O fato desinais separados de cada olho serem trabalhados em paralelo,

Figura 1–18 As neurotrofinas exercem seus efeitos pela ligação adois tipos de receptores: o receptor para o fator de crescimentonervoso de baixa afinidade, também chamado de p75, e o receptorde tirosina quinase de alta afinidade, os receptores Trk. O fator decrescimento nervoso (NGF) liga-se principalmente ao TrkA, e o fatorneurotrófico derivado do cérebro (BDNF) e a neurotrofina-4 (NT-4)ligam-se principalmente ao TrkB. A especificidade da neurotrofina-3(NT-3) é menos precisa. Embora ela se ligue principalmente ao TrkC,também pode ligar-se a TrkA e TrkB sob algumas condições celulares.Além disso, todas as neurotrofinas ligam-se a p75.

Fonte: Adaptada de Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM: Principles ofNeural Science, 4ª edição. New York, McGraw-Hill, 2000, p.1057. Utilizadacom permissão.

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Figura 1–19 Colunas de dominância ocular no córtex visual. Painel A. Na via visual em humanos, as fibras ópticas de cada olho dividem-seno quiasma óptico, sendo que cada metade das fibras vai para cada um dos lados do cérebro. Na representação esquemática, as fibras queconvergem a informação visual proveniente dos lados esquerdos de cada retina são mostradas projetando-se ao núcleo geniculado lateral (NGL)esquerdo. Os neurônios do NGL (em diferentes camadas), por sua vez, projetam-se ao córtex visual ipsilateral (principalmente à camada 4c).Nas camadas do córtex visual maduro que recebem fibras do núcleo geniculado, os estímulos dos olhos são segregados em colunas dedominância ocular (DO). Painel B. Injeções de prolina radioativa em um dos olhos de um gato com duas semanas de vida marcamuniformemente a camada 4 em secções coronais do córtex visual, indicando que aferentes provenientes daquele olho são igualmentedistribuídos no córtex nessa idade. Entretanto, ao longo das próximas semanas, tais injeções mostram a segregação dos aferentes do núcleogeniculado em colunas de DO. Painel C. Diagrama esquemático da formação de colunas de DO na camada 4 do córtex durante odesenvolvimento normal. Painel D. Um olho de um macaco normal foi injetado com um marcador radioativo, o qual foi transportadotransinapticamente ao longo das vias visuais. As áreas corticais que recebem estímulos do olho em que foi aplicada a injeção estão marcadasem branco, revelando um padrão alternado de listas espaçadas regularmente (secção de um corte tangencial através da camada 4). Painel E. Adeprivação monocular altera o desenvolvimento das colunas de DO. Aqui, o marcador foi injetado no olho não-deprivado, revelando listas maislargas e, portanto, indicando a expansão da área inervada pelo olho não-deprivado. Ou seja, a experiência normal é pré-requisito para umaconectividade adequada do córtex.

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recombinados e separados novamente é representativo de umpadrão mais geral no processamento da informação visual (Li-vingstone e Hubel, 1998).

Durante o desenvolvimento, as colunas de DO são origi-nadas por processos dependentes da atividade (Hubel et al.,1977). Inicialmente, axônios trazendo informação ao núcleogeniculado a partir dos dois olhos sobrepõem-se. Entretanto,à medida que o desenvolvimento continua, esses axônios len-tamente começam a se segregar em colunas de DO (Figura 1–

19B,C). Durante esse período, o padrão de listas distintas, igual-mente distribuído entre os dois olhos, depende da atividadevisual normal. Se a visão de um olho é prejudicada ou se háestrabismo, o estímulo do olho normal ou dominante começaa controlar a maioria do córtex visual, e o outro olho torna-sefuncionalmente cego (Figura 1–19E). No córtex, as colunas dedominância ocular do olho normal ou dominante expandem-se às custas do olho prejudicado. A segregação das fibras ópti-cas em colunas é dependente da atividade (Constantine-Paton


et al., 1990; Shatz e Stryker, 1998). Ela depende dos estímulosdiscordantes dos dois olhos; a segregação falha se todo estí-mulo visual ao córtex é bloqueado (com tetrodotoxina) ou ar-tificialmente sincronizado em ambos os olhos (por estimula-ção elétrica simultânea) (Shatz, 1990).

Padrões diferenciados de atividade elétrica em cada radia-ção óptica, conforme ocorre normalmente, medeiam a segre-gação de DO. A segregação também requer a atividade dascélulas corticais pós-sinápticas; a infusão da droga inibitóriamuscimol (um agonista de receptor GABAA) causa uma rever-são na dominância ocular, de modo que, paradoxalmente, oolho mais fraco, em vez do mais forte, assume a influênciacortical maior (Reiter e Stryker, 1988). Portanto, a segregaçãoapropriada dos estímulos corticais requer a coordenação daatividade pré-sináptica normal e das respostas pós-sinápticas.Semelhante dependência da atividade também é encontradaem axônios da retina que influenciam as células do NGL (Goo-dman e Shatz, 1993). Realmente, a segregação dependente daatividade dos estímulos sensoriais em colunas funcionais pa-rece ser uma propriedade inerente das projeções topográficasde sistemas sensoriais. Em sapos, que não apresentam visãobinocular nem colunas de dominância ocular, quando um olhoextra é transplantado em um girino, as fibras ópticas do tercei-ro olho competem com o outro olho que inerva aquele ladodo cérebro e produzem colunas de dominância ocular (Con-stantine-Paton e Law, 1978).

Os mecanismos celulares e moleculares subjacentes aorefinamento sináptico dependente da atividade estão come-çando a ser elucidados. Muitos deles são notavelmente simi-lares aos mecanismos celulares nos quais se baseiam o apren-dizado e a memória no cérebro adulto. No sistema visual,acredita-se que os aferentes ao núcleo geniculado sofram se-gregação em colunas de DO baseados na regra do aprendi-zado Hebbiano (Hebb, 1949), pela qual neurônios que dis-param juntos são seletivamente fortalecidos. A regra predizque neurônios que disparam sincronicamente fortalecerãosuas sinapses, enquanto neurônios que o fazem assincroni-camente enfraquecerão suas sinapses. A LTP e a LTD sãocandidatos prováveis para mediar o processo de formaçãodas colunas de DO (Bear e Rittenhouse, 1999). Além da ati-vidade, outros fatores podem agir de forma seletiva, fortale-cendo sinapses ativas ao mesmo tempo. Um dos mais prová-veis candidatos para tanto é a família de fatores de crescimentodas neurotrofinas. As neurotrofinas são produzidas em quan-tidades limitadas pelos neurônios corticais; sua expressão éaumentada pela atividade, e elas podem aumentar a força si-náptica, bem como alterar as arborizações dendríticas e axo-nais de neurônios corticais (McAlister et al., 1999). Em con-cordância com essa hipótese, tanto a infusão de excesso deneurotrofinas quanto o bloqueio das neurotrofinas impedema formação das colunas de DO (Cabelli et al., 1995, 1997).Assim, as neurotrofinas estão em primeiro lugar como can-didatos para mediar o refinamento sináptico dependente daexperiência que ocorre durante o desenvolvimento. Além dis-so, devido ao seu papel na modulação da força sináptica, acre-dita-se que as neurotrofinas estejam envolvidas em doençasneurodegenerativas.

Ações neurotróficas e neurotóxicas dosneurotransmissores

Os próprios neurotransmissores podem ter função trófi-ca ou tóxica no modelamento dos neurônios e de suas inter-

conexões (Lipton e Kater, 1989). O progresso dos cones decrescimento é regulado pelo nível de Ca2+ intracelular local, oqual atua dentro de uma faixa estreita. Quando os níveis sãobaixos, os cones estão inativos; quando os níveis sobem, oscones de crescimento começam a mover-se. Entretanto, acimade determinado nível, a elevação dos níveis de Ca2+ impede ocrescimento e causa retração ou destruição dos processos neu-ronais (al-Mohanna et al., 1992). O glutamato é capaz de re-gular o crescimento dos processos neuronais pelo controle doinfluxo de Ca2+. Esse efeito pode ser contrabalançado por neu-rotransmissores inibitórios, bem como por uma provisão degrandes quantidades dos fatores tróficos (Mattson e Kater,1989; Mattson et al., 1989). A dopamina, atuando sobre re-ceptores D1, pode inibir a motilidade dos cones de crescimen-to mediante a ativação da adenilil ciclase, elevando a concen-tração intracelular de AMPc (Lankford et al., 1988) ou, atuandosobre receptores D2, pode induzir o crescimento dos neuritos(Todd, 1992).

Níveis elevados de glutamato produzem excitotoxicidade,talvez refletindo o funcionamento patológico desses sistemassinalizadores do desenvolvimento (Kater et al., 1989). Alterna-tivamente, a excitotoxicidade pode ter uma função normal naregulação do número de células e na da conectividade. A exci-totoxicidade parece ser mediada pela entrada de Na+ atravésdos canais do tipo AMPA. Isso leva ao inchaço neuronal (re-sultando em edema cerebral). A entrada continuada de Ca2+

pelos canais receptores NMDA resulta em um modo retarda-do de excitoxicidade, que mata os neurônios, provavelmentepela ativação de proteases intracelulares e/ou geração de radi-cais livres, inclusive o NO (Choi, 1994; Dawson et al., 1994).Além de mediarem o influxo de Na+ e o inchaço, os receptoresAMPA podem estar acoplados à via IP3/DAG, levando tam-bém ao aumento nos níveis de Ca2+ intracelular e à ativação daquinase C.

A excitotoxicidade provavelmente é responsável pela per-da neuronal em AVCs, no status epiléptico, na hipoglicemia eno trauma encefálico (Choi e Rothman, 1990). Essas ocorrên-cias estão relacionadas, uma vez que todas levam à despolari-zação neuronal, o que resulta em atividade elétrica excessiva,evocando aumentos excessivos na liberação de glutamato. Oselevados níveis de glutamato extracelular estão presentes emmodelos experimentais, e sua citopatologia pode ser mimeti-zada por injeções intracerebrais de aminoácidos excitatórios.Os neurônios poupados nesses estados patológicos são tam-bém os menos afetados nos modelos experimentais, provavel-mente porque possuem menos receptores para os aminoáci-dos excitatórios. Os neurônios danificados apresentam níveisaumentados de Ca2+ intracelular e antagonistas dos aminoáci-dos excitatórios, especialmente aqueles que bloqueiam os re-ceptores NMDA, previnem ou reduzem consideravelmente aperda neuronal nessas condições.

Evidências que atribuem um papel à toxicidade dos ami-noácidos excitatórios nas doenças neurodegenerativas sãomenos completas (Choi, 1988; Meldrum e Garthwaite, 1990).Uma rara doença neurológica que é fatal na infância parecedever-se à deficiência na sulfito oxidase, resultando em eleva-ção na concentração do aminoácido excitatório l-sulfocisteí-na. Além disso, uma forma recessiva da degeneração olivo-pontocerebelar, que é fatal na vida adulta, está associada àdeficiência da glutamato desidrogenase. E, finalmente, duasdoenças neurodegenerativas geograficamente localizadas têmsido associadas à ingestão de excitotoxinas. O complexo es-clerose lateral amiotrófica parkinsonismo-demência de guam

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resulta da ingestão do aminoácido excitatório β-n-metilami-no-l-alanina, encontrado na planta cicadácea. O latirismo en-contrado em regiões da África que sofrem com inanição oufome apresenta uma relação causal com a ingestão da excito-xina β-n-oxalilamino-l-alanina encontrada no grão-de-bico.

Similaridades entre outros transtornos neuropsiquiátri-cos e distúrbios neurodegenerativos idiopáticos sugerem umimportante papel dos mecanismos de excitoxicidade. É intri-gante que um conjunto de dados implica os mecanismos deexcitoxicidade na patologia da doença de Huntington. A neu-ropatologia dessa doença é mimetizada pela injeção de ami-noácidos excitatórios e certas classes de neurônios estriataissão poupadas em ambos os casos (Wexler et al., 1991). Alémdisso, medidas dos receptores NMDA estriatais em pacientesque faleceram pela doença de Huntington revelam perda sele-tiva de células que apresentam esses receptores, dando supor-te à possibilidade do papel da excitoxicidade mediada por re-ceptores NMDA na sua patogênese (Young et al., 1988).

PERSPECTIVAS

O desenvolvimento cerebral não é determinado meramen-te por programas genéticos celulares autônomos, mas, em vezdisso, é altamente interativo e depende de hierarquias com-plexas de fatores de sinalização que operam para restringir deforma progressiva o destino celular. Uma vez que as célulastenham atingido um fenótipo específico e chegado a uma lo-calização apropriada, a competição por fatores de sobrevivên-cia fornece outra oportunidade para influências ambientaissobre o desenvolvimento resultante. O desenvolvimento celu-lar cerebral não é, portanto, estritamente dependente da li-nhagem, mas envolve um extraordinário grau de sinalizaçãointerativa. Em muitas áreas cerebrais, o estabelecimento decontatos sinápticos dependente da atividade é outro exemplode mecanismos pelos quais a experiência pode refinar aspec-tos estruturais do desenvolvimento cerebral. Uma conseqüên-cia desses mecanismos associados ao desenvolvimento é quenunca ocorrerão dois resultados exatamente iguais, mesmono caso de gêmeos com carga genética idêntica. Outra conse-qüência é o potencial para perturbações do desenvolvimentonormal por agentes físicos, químicos ou infecciosos no perío-do fetal ou neonatal.

Tem se tornado claro que o cérebro adulto retém um grausignificativo de plasticidade ao longo da vida e que alteraçõesna organização cortical podem ser induzidas por estímulossensoriais comportamentalmente importantes e temporalmen-te coincidentes (Buonomano e Merzenich, 1998). O treina-mento comportamental de macacos-da-noite adultos na dis-criminação de características temporais de um estímulo tátilpode alterar as propriedades de resposta espaciais e temporaisdos neurônios corticais (Recanzone et al., 1992b). Quandomacacos-da-noite adultos são recompensados ao responder auma estimulação tátil de 30 Hz em um único dedo de uma dasmãos, há um aumento no número de áreas corticais e na áreasomatossensorial do córtex onde os neurônios mostram res-postas na freqüência adequada depois do treinamento (Re-canzone, 1992a). Em uma série de experimentos, demonstrou-se que a representação cortical da pele que recobre os mamilosaumenta quase duas vezes para ratas em período de amamen-tação, comparadas com ratas-controle virgens ou com ratasno pós-parto não-lactantes (Xerri et al., 1994). O comporta-mento materno de amamentação em ratas constitui uma alte-

ração que ocorre de forma natural, na qual estímulos senso-riais comportamentalmente significativos e regionalmente lo-calizados estão associados à reorganização do córtex somatos-sensorial primário.

Esse tipo de alteração na organização do córtex soma-tossensorial também ocorre no córtex auditivo primário. Ma-cacos-da-noite treinados por várias semanas para discrimi-nar pequenas diferenças na freqüência de tons apresentadosem seqüência demonstraram melhora progressiva em seu de-sempenho ao longo do treinamento. Ao final do período detreinamento, a porção do córtex que respondia às freqüên-cias relevantes estava aumentada (Recanzone et al., 1993).Em estudos-controle com procedimentos de estimulaçãoequivalentes, em que os estímulos não eram relevantes, ne-nhuma alteração de representação significativa foi registrada(Recanzone et al., 1992b, 1993). Portanto, comportamentosrealizados e recompensados em resposta a um estímulo po-dem induzir alterações na organização do córtex sensorialprimário que estão correlacionadas a uma melhora na acui-dade da percepção (Merzenich e Sameshima, 1993). Essesexperimentos começaram a sugerir maneiras pelas quais ex-periências da vida — a psicoterapia inclusive — podem po-tencialmente modificar a função cortical e alterar a percep-ção e o comportamento.

Essas alterações plásticas parecem compartilhar uma lin-guagem molecular, expressa primeiro durante o desenvolvi-mento e que envolve os mecanismos dependentes da ativi-dade. A atividade neural é essencial para o refinamentosináptico dependente da atividade, para a LTP, para a LTD epara a excitoxicidade (Brown et al., 1990; Choi e Rothman,1990; Constantine-Paton et al., 1990; Hawkins e Kandel, 1984;Lipton e Kater, 1989). A peça-chave é o receptor NMDA, o qualrequer, para sua ativação, a ligação do agonista e a despolariza-ção. Essa parece ser a exigência essencial para o emparelha-mento da especificidade, um tipo de plasticidade sináptica ini-cialmente postulado por Hebb (1949), em que a ativaçãosimultânea de elementos pré e pós-sinápticos fortalece as co-nexões. Ao mesmo tempo, a correlação da atividade pré-sináp-tica com a inibição pós-sináptica pode seletivamente enfraque-cer as conexões (Reiter e Stryker, 1988). O influxo de Ca2+

mediado pelo receptor NMDA desencadeia alterações na forçadas sinapses, que podem acabar levando a alterações estruturaismais permanentes no número de sinapses. Em níveis mais ele-vados, o Ca2+ pode prejudicar o crescimento dos neuritos, cau-sar sua retração ou seletivamente lesionar uma célula suscetí-vel.

Sem dúvida, muitas doenças neuropsiquiátricas encon-tram-se nesse contexto. Para considerar alguns exemplos, amaioria dos quais já foram mencionados, a degeneração estri-atal na doença de Huntington parece ser devido a uma super-produção da proteína associada à vesícula sináptica (DiFigliaet al., 1995; Sharp et al., 1995), capaz de provocar a excitoxici-dade mediada pelo receptor NMDA (Wexler et al., 1991). Nadoença de Parkinson, a perda seletiva de neurônios dopami-nérgicos na substância negra pode ser o resultado tardio deum processo viral, de uma lesão por neurotoxinas dopaminér-gicas, tais como o MPTP, ou pela deficiência de fatores neuro-tróficos, tais como o fator neurotrófico derivado do cérebroou o derivado da linhagem glial, os quais podem ser essenciaispara a sobrevivência dos neurônios dopaminérgicos. Na do-ença de Alzheimer, a perda dos neurônios colinérgicos talvezresulte de uma deficiência ou ainda de uma aberração no con-trole do NGF, já que o mesmo é captado por neurônios do


prosencéfalo basal. Claramente, o entendimento dos eventoscelulares e moleculares que ocorrem durante o desenvolvi-mento cerebral normal (a maturação e o envelhecimento), bemcomo daqueles que estão por trás dos transtornos neuropsi-quiátricos, promoverá um avanço nas estratégias para o trata-mento e a prevenção desses transtornos.

Talvez a possível intervenção mais estimulante e revolucio-nária para o tratamento de doenças neuropsiquiátricas seja ouso de células-tronco para reparar o cérebro lesionado (S.H.Lee et al., 2000). Apesar do enorme esforço da comunidade deneurocientistas durante o último século, não existem atualmenteterapias exeqüíveis para o reparo do cérebro humano adultodanificado. É evidente que o tratamento de muitas doenças neu-ropsiquiátricas poderia ser melhorado se novos neurônios pu-dessem ser adicionados a uma região cerebral lesionada e sefossem estimulados a diferenciar-se no tipo neuronal apropria-do e formar conexões apropriadas. Existem hoje duas aborda-gens para atingir esse objetivo. Na primeira, células-tronco plu-ripotentes estão sendo utilizadas, com sucesso crescente, pararepovoar regiões cerebrais danificadas. Por exemplo, ratos comsintomas semelhantes aos da doença de Parkinson podem rea-dquirir funções após a implantação de neurônios dopaminérgi-cos criados in vitro a partir de precursores neuronais fetais derato (Studer et al., 1998). Na segunda, mecanismos de reparointrínsecos recém-descobertos no cérebro adulto estão sendoestudados quanto a seu potencial terapêutico. Recentemente, aneurogênese foi descoberta em várias regiões do cérebro adul-to, inclusive no giro dentado da formação hipocampal. Essesneurônios migram, diferenciam-se e formam conexões funcio-nais. Além disso, a experiência, o aprendizado e o exercício físi-co aumentam a proliferação neuronal em adultos (Fuchs eGould, 2000). A descoberta da neurogênese no cérebro adultosugere a existência de mecanismos intrínsecos de reparação quepodem ser manipulados para o tratamento de doenças neuro-degenerativas (Fuchs e Gould, 2000). À medida que os meca-nismos de doenças neuropsiquiátricas vão sendo elucidados emâmbito celular e molecular e que o enorme potencial da pes-quisa com células-tronco encontre-se bem estabelecido, é pro-vável que estejamos muito próximos de tratamentos revolucio-nários para muitas doenças neuropsiquiátricas.

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